為蜂窩手機(jī)選擇電源管理

新一代蜂窩手機(jī)比前幾代手機(jī)更小，能夠?qū)崿F(xiàn)PDA功能，在更大、更豐富多彩的顯示屏上發(fā)送電子郵件、即時(shí)消息和網(wǎng)頁(yè)瀏覽。某些型號(hào)包括 FM 收音機(jī)、MP3 播放器和數(shù)碼相機(jī)。

即使功能增加，消費(fèi)者也希望在不增加尺寸的情況下獲得持久的電池壽命。將更多內(nèi)容塞進(jìn)更小的手機(jī)中，同時(shí)消耗更少的電量，推動(dòng)電源管理設(shè)計(jì)發(fā)揮了關(guān)鍵作用。為了應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)，模擬IC制造商開(kāi)發(fā)了更小、更高性能的電源解決方案。

電源管理 IC

大多數(shù)無(wú)線手機(jī)的核心是電源管理IC（PMIC）。PMIC 可處理大多數(shù)電源要求和其他模塊，如接口或音頻。領(lǐng)先的模擬半導(dǎo)體制造商提供PMIC作為完全定制、半定制和/或標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，通常使用針對(duì)混合信號(hào)和電源優(yōu)化的5V亞微米BiCMOS工藝。任何尚未集成到手機(jī)其他位置的模塊都是PMIC中集成的候選模塊;但是，建議進(jìn)行一些審核，如圖 1 所示。不集成特定區(qū)塊是有原因的：1）如果使用不同的工藝設(shè)計(jì)，區(qū)塊可能更便宜或更小;2）由于技術(shù)進(jìn)步或客戶需求的變化，模塊可能會(huì)從一個(gè)設(shè)計(jì)更改為下一個(gè)設(shè)計(jì);3）該塊可能不是跨平臺(tái)通用的;4）該區(qū)塊可能會(huì)對(duì)進(jìn)度提出積極的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)/風(fēng)險(xiǎn);5）由于噪聲耦合等性能原因，該模塊可能不適合集成。

圖1.MAX1502標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品電源管理IC是低風(fēng)險(xiǎn)、受限集成的一個(gè)例子，僅集成支持常用CDMA芯片組所需的最常見(jiàn)模塊。

盡管如此，將盡可能多的模塊集成到PMIC中的原因是明顯的成本和尺寸節(jié)省，特別是當(dāng)集成對(duì)于大量手機(jī)來(lái)說(shuō)很常見(jiàn)時(shí)。可以通過(guò)逐步增加連續(xù)設(shè)計(jì)的集成來(lái)管理風(fēng)險(xiǎn)。

低壓差線性穩(wěn)壓器

蜂窩手機(jī)通常需要 5 到 12 個(gè)獨(dú)立的低壓差 （LDO） 線性穩(wěn)壓器。這個(gè)數(shù)字很高，不是因?yàn)橛羞@么多單獨(dú)的電壓，而是因?yàn)長(zhǎng)DO還充當(dāng)具有電源抑制比（PSRR）的開(kāi)/關(guān)開(kāi)關(guān)，以防止噪聲耦合。大多數(shù)LDO集成在PMIC中，但由于PCB布局/布線、特定組件（如壓控振蕩器）的噪聲敏感性或需要為非標(biāo)準(zhǔn)模塊（如集成數(shù)碼相機(jī)）供電，仍然存在一些分立單元。分立形式中，采用SOT150封裝的單通道23mA LDO多年來(lái)一直是熱門(mén)選擇。然而，當(dāng)今較新的封裝、亞微米工藝和更好的設(shè)計(jì)以更小的尺寸提供了更高的性能。您現(xiàn)在可以在SOT300中采用單路23mA LDO，在SOT150中采用雙路23mA LDO，或在微型SC120中采用單路70mA LDO，同時(shí)具有標(biāo)準(zhǔn)和超低噪聲（10μVRMS和85dB PSRR）兩種型號(hào)。此外，現(xiàn)代 UCSP? 提供盡可能小的尺寸，而新的 QFN 封裝允許最大的芯片尺寸，并在 3mm x 3mm 的塑料封裝中提供最高的導(dǎo)熱性。因此，QFN 封裝可實(shí)現(xiàn)更高電流的 LDO，并且每個(gè)封裝具有更多的 LDO。甚至還有三重、四重和五重 LDO，它們減少了分立實(shí)現(xiàn)和 PMIC 之間的界限。

用于處理器內(nèi)核的降壓轉(zhuǎn)換器

盡管LDO簡(jiǎn)單小巧，但其主要缺點(diǎn)是效率，尤其是在為低壓電路供電時(shí)。隨著手機(jī)中PDA和互聯(lián)網(wǎng)功能的增加，應(yīng)用了更強(qiáng)大的處理器，電源軌從1.8V到0.9V不斷減少。為了控制電池電流，應(yīng)使用高效的降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器為內(nèi)核供電。低成本、小尺寸、高效率、低靜態(tài)（待機(jī)）電流和快速瞬態(tài)響應(yīng)是設(shè)計(jì)考慮因素。協(xié)調(diào)這種困難的特征分組需要經(jīng)驗(yàn)豐富的模擬設(shè)計(jì)和一些獨(dú)創(chuàng)性。如今，只有領(lǐng)先的模擬半導(dǎo)體制造商才提供合適的降壓轉(zhuǎn)換器，采用小型SOT23封裝，具有1MHz或更快的開(kāi)關(guān)頻率，以允許使用小型外部電感器和陶瓷電容器。

用于RF功率放大器的降壓轉(zhuǎn)換器

在成熟的日本手機(jī)市場(chǎng)中，降壓轉(zhuǎn)換器還用于為CDMA收音機(jī)的功率放大器（PA）供電，以響應(yīng)與基站的距離變化，具有不同的VCC電源電壓。當(dāng)乘以發(fā)射概率密度函數(shù)時(shí)，降壓轉(zhuǎn)換器平均可節(jié)省40mA至65mA的電池電流。節(jié)省的電流量取決于輸出電壓步進(jìn)的數(shù)量、PA 的特性以及在城市還是郊區(qū)環(huán)境中傳輸語(yǔ)音或數(shù)據(jù)?；谌毡镜某晒蛯?duì)一家歐洲WCDMA創(chuàng)新者的開(kāi)創(chuàng)性努力，現(xiàn)在韓國(guó)，美國(guó)和其他歐洲手機(jī)制造商正在測(cè)試或設(shè)計(jì)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。降壓轉(zhuǎn)換器的要求是尺寸非常小、成本低、輸出紋波低和高效率。同樣，SOT23轉(zhuǎn)換器是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。為了保持盡可能低的壓差，分立式低R型DS（ON）P溝道MOSFET通常用于在高功率傳輸時(shí)直接從電池為PA供電。為了進(jìn)一步減小整體尺寸，最新的降壓轉(zhuǎn)換器（例如MAX8500系列）集成了這個(gè)額外的FET。

指示燈、指示燈和更多指示燈

對(duì)于帶彩色顯示屏的無(wú)線手機(jī)，由于電路簡(jiǎn)單和非常高的可靠性，白光LED現(xiàn)在主導(dǎo)了背光應(yīng)用。效率超過(guò)鹵素?zé)簦€不及熒光燈?，F(xiàn)代設(shè)計(jì)通常使用三個(gè)或四個(gè)白光 LED 用于主顯示屏，兩個(gè)白光 LED（在翻蓋式設(shè)計(jì)的情況下），以及鍵盤(pán)后面的六個(gè)或更多白色或彩色 LED。如果集成了相機(jī)，則可能會(huì)有四個(gè)用于閃光燈/頻閃燈和mpeg電影燈的白色LED。一個(gè)手機(jī)中總共有多達(dá)16個(gè)LED，所有這些都需要用恒定電流驅(qū)動(dòng)。

多年前，日本的第一代彩色手機(jī)使用效率低下的1.5倍電荷泵和鎮(zhèn)流電阻器。（該解決方案有效地摒棄了他們通過(guò)在PA上增加降壓轉(zhuǎn)換器而努力節(jié)省的40mA電流。如今，大多數(shù)設(shè)計(jì)都使用基于電感的升壓轉(zhuǎn)換器，以實(shí)現(xiàn)更高的效率。然而，最新的1x/1.5x電荷泵在沒(méi)有電感器的情況下也能獲得類似的高效率，但LED的導(dǎo)線更多。由于白光LED電源的市場(chǎng)如此之大，因此有大量的IC可供選擇。需要考慮的是高效率、小外部元件、低輸入紋波（以避免將噪聲耦合到其他電路）、簡(jiǎn)單的調(diào)光接口以及降低成本或增加可靠性的任何其他功能，例如輸出過(guò)壓保護(hù)。一些PMIC包括一個(gè)白光LED電源，但通常不會(huì)為多個(gè)顯示器或相機(jī)頻閃燈供電，或者它們可能效率低下或切換太慢。這將需要大電感器和電容器，并產(chǎn)生較大的輸入紋波。通常需要添加分立IC以與PMIC配合使用，或者找到高度集成的分立方案（例如MAX1582，圖2）。

圖2.由于LED背光是手機(jī)中電池功耗最高的產(chǎn)品之一，MAX1582采用高效升壓轉(zhuǎn)換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，照亮主顯示屏、副顯示屏和鍵盤(pán)。

電池充電

幾乎每部無(wú)線手機(jī)都使用簡(jiǎn)單的線性充電器為其三個(gè)NiMH電池或單個(gè)Li+電池充電。大多數(shù)情況下，充電器集成在PMIC中，但為簡(jiǎn)單起見(jiàn)，檢流電阻和/或調(diào)整管可能位于外部。有許多選擇可以控制散熱：1） 以 C/4 或更慢的速度充電;2）使墻上適配器輸出具有一定的電阻性，因此大部分壓降都發(fā)生在那里;3）使用脈沖充電和限流墻上適配器;4） 包括反饋以調(diào)節(jié)墻上適配器，使調(diào)整管兩端的壓降恒定;或5）添加一個(gè)恒定的熱控制環(huán)路，以節(jié)流以保持恒定的管芯溫度，這僅在調(diào)整管位于PMIC上時(shí)才實(shí)用。分立式充電器IC可能提供一定的靈活性，但對(duì)于手機(jī)來(lái)說(shuō)，好處大大降低，因?yàn)榧沙潆娖骺梢酝ㄟ^(guò)PMIC的串行接口輕松重新編程，以適應(yīng)不同的電池化學(xué)成分或容量。

審核編輯：郭婷