智能型手机电源管理系统的设计

      当今科技所需求的手机电池除了要能够长时间供应稳定电源外,体积小重量轻也是关键。缩小电路板面积、增长供电时间与减少成本该如何毕其功于一役？将众多电源管理组件整合在单一芯片上将是解决问题的最好途径。

　　早期的行动电话不是体积笨重庞大,就是必须受到汽车电池的束缚,但经过长时间的发展,今天的行动电话已变得非常轻巧,除了电话功能,它们还会做许多事。新型3.xG 智能型手机把传统的2G 行动电话和多种其它功能结合在一起,包括PDA、数字相机、音乐播放机（MP3）以及全球定位系统（GPS）。如此多元的功能需要许多零件,其中绝大多数的电源电压并不相同,电流需求则不断增加,使得它们需要更多电力。(图一)是从2G 语音电话升级到3G 视讯电话后,功率需求增加的估计值。

    图一  功耗值

        在此同时,消费者却想要更精巧的手机。本文介绍两种电源管理系统,它们可以协助智能型手机设计人员在彼此冲突的目标间取得平衡,例如将封装减至最小,同时支持更大的功率需求;实现最佳效率,让电池提供最长的使用时间;以及将电源噪声和涟波降至可接受水平,以支持新世代的行动电话。

选择电池

　　选择充电电池是电源管理系统设计的首要工作之一,镍氢电池和锂离子电池则是目前仅有的两种实际选择。锂离子电池的单位体积蓄电量为270～300Wh/l,单位重量蓄电量为110～130Wh/kg,都高于镍氢电池的220～300Wh/l 以及75～100Wh/kg,因此在同样蓄电量下,锂离子电池的体积和重量都小于镍氢电池;另外,锂离子电池的3.6V 工作电压也高于镍氢电池的1.2V。行动电话的多数功耗都来自于1.2V 和3.3V 电源,要让交换式电源转换器发挥最大工作效率,较有效的方法通常是从高电压转换至低电压,而不是从低电压转换至高电压,因此锂离子电池是最佳选择。

　　要让充电电池提供最长使用时间,适当的电池管理和控制就显得格外重要。电池管理包含三个部份：充电控制、电池监视和电池保护。从使用外接导通组件的线性控制器开始,到内建开关组件且效率更高的交换式控制器,充电控制组件已有长足进步。电池充电器必须处理500mA 到1500mA 范围内的电流,以便提供快速的充电周期时间。电池监视和保护组件通常都与电池封装在一起,电池监视组件可以是简单的「电荷计量器」（coulomb counter）,由中央处理器负责计算电池剩余电力;也可以是内建微控制器的电池电力量测组件（gas gauge）,由它透过DSP 与处理器之间的简单界面,直接提供剩余电力、剩余供电时间、电池电压、温度和平均电流量测值等资料。

电源拓朴

　　接着,设计工程师必须决定电源转换组件的种类,它或许是以电感为基础、并且内建FET 开关的交换式电源转换器、无电感的交换式电源转换器（电荷泵浦）或是线性稳压器。这些转换器各有其优点。就效率而言,以电感为基础的转换器拥有最高的整体效率,其次是电荷泵浦,最后才是线性稳压器。成本通常反比于效率,因此线性稳压器成本最低,然后是电荷泵浦,最后则是以电感为基础的转换器。线性稳压器没有输出涟波,电荷泵浦有一些输出涟波,交换式稳压器的输出涟波则在三者之间最高。就整个解决方案的体积来看,线性稳压器的体积最小,通常只需输入和输出电容,电荷泵浦除了输入和输出电容外,还需一颗或两颗「飞驰」（flying）电容,交换式稳压器则需要电感器,因此其封装体积会有很大差异。

        无论DSP 或模拟数字转换器等数字零件,或是电源管理系统等模拟零件,2G 电话几乎不提供任何的功能整合,系统设计人员在发展电源管理系统时,通常会以成本和体积为优先考虑,而不是转换效率。线性稳压器只能将输入电压转换成更低的输出电压,因此电池电压必须高于3.3V,此时可利用低电流或中电流的线性稳压器进行电压转换,以便提供电力给至2.8V 范围内的其它电源需求。在3G 芯片组中,基频处理器现已包含DSP、微处理器／微控制器、模拟数字转换器和数字模拟转换器,用来控制射频讯号和音频讯号处理。这颗处理器的核心电压已降至1.2V 或是更低,I/O 和外围电压也开始减少至2.5V 至3.0V 范围;由于3.xG 电话的电流需求通常都超过2.G 电话,3.xG 设计人员需要效率高于线性稳压器的直流电源转换器,以便提供更长的电池使用时间。为进一步延长电池寿命,许多设计人员必须尽量利用锂离子电池电力,直到其电压降至 最小值为止;在此过程中,如何产生3.3V 电压就变成一项挑战。从表面上来看,设计人员若能继续使用电池直到2.7V,并利用正电源降压—升压转换器或是SEPIC 转换器提供3.3V 电源,可携式装置的电池寿命就会大幅延长,但是根据(表一)针对600mAh 电池所做的简单分析可发现情形并非如此,因为无论是采用效率更高的降压转换器,并将电池使用到3.3V,或是采用SEPIC 之类的转换器,并将电池电力完全用尽,这两种方式的供电时间几乎没有任何区别。

          表一   60mAh 电池分析 

      除此之外,无论是使用两颗电感的SEPIC 转换器,或是某些效率更高的新型正电源降压—升压转换器,它们的成本都更高,因此在做整体评估时,只使用3.3V 以上的电池电力,然后利用高效率交换式电源转换器提供3.3V 电源的方法不但更有效率,还可能是更具吸引力的选择。以下介绍的离散解决方案就是使用降压转换器提供3.3V 电源,整合式解决方案则采用SEPIC 转换器。

系统概述

         不同的智能型手机零件有着不同的电源需求,(图二)是行动电话中需要电源的主要零件简单方块图,例如射频单元的压控振荡器（VCO）以及锁相回路（PLL）就需要极低噪声和很高电源拒斥比的电源,确保它们提供最高的传送和接收效能,因此虽然线性稳压器的效率不高,但由于它没有输出涟波,所以是这类电源供应的最佳选择;同样重要的是将直流转换器的开关频率,还有它们的二阶和三阶谐波,都保持在中频频带之外。由于DSP 和中央处理器的核心电压已降至1V 左右,以电感为基础的高效率交换式降压转换器是理想选择。至于屏幕背光照明所使用的白光二极管,其电源可来自电荷泵浦或电感式升压／降压转换器。

图二   智能型手机电源方块图

动态电压调整（Dynamic Voltage Scaling）

　　从图一可看出,电源需求最高的两颗零件是在射频单元,分别是发射机的功率放大器和基频处理器。随着电话与基地台之间的距离不同,功率放大器在通话过程中最多消耗75 ％的总功耗,待命模式则只有30％。采用非线性功率放大器的旧型GSM 电话发射机的典型工作效率约为50％,但是WCDMA 等较新标准却同时需要振幅及相位调变,这只有工作效率在25％至35％之间的线性放大器可以提供。除此之外,CDMA2000 1x 手机的正常基频处理器负载需求是在60 至120mA 范围,因此提供最有效率的电源给功率放大器和处理器就显得极为重要。

　　动态／可适性电压调整技术（DVS/AVS）与高整合度组件所使用的方式很类似,它会把闭回路系统中的处理器和稳压器连结在一起,并在确保系统正常工作的情形下,将数字电源供应的输出电压动态调整至最小值。功率放大器会被最佳化,使它在最大传送功率下拥有最高效率。由于绝大多数手机都在基地台附近工作,手机的无线电功能会在维持通讯质量的前题下,将传送功率降至最低水平。当功率放大器在较低的功率水平下工作时,它的效率会受到影响,从(图三)可以看出,利用动态电压调整技术来调整功率放大器的电压,它的工作效率会增加10％至20％。

   图三   功率放大器效率

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        数字处理器的功耗正比于电压平方,因此中央处理器也能采用动态电压调整技术;当中央处理器进入待命模式或其它功能精简模式,它就能在较低的频率频率下工作,此时可将处理器电压降低,以便减少功耗,提升工作效率,延长电池寿命。就以OMAP1510 为例,假设它的电源是由TPS62200 供应,并使用1 安培小时的3.6V 锂离子电池输入,其它特性包括： ●睡眠模式（TPS62200 采用PFM 调变）未用动态电压调整：Vout = 1.5 V @ 300 µA ;效率= 93％ ●正常工作模式（TPS62200 采用PWM 调变）：Vout = 1.5 V @ 100 mA ;效率 = 96％

　　假设此组件95％时间处于睡眠模式,5％时间处于正常工作模式,则从输出功率与时间的关系图可看出,将动态电压调整技术用于睡眠模式,电池寿命会最多延长9 个小时。

离散解决方案

　　(图四)是利用离散组件实作的电源管理系统,电池电压限制为3.3V。

  图四   利用离散组件实作的电源管理系统

　　在这个解决方案中,就算锂离子电池下降至3.3V 左右,在100％负载周期模式下工作的高效率TPS62200降压转换器仍能提供3.3V 的I/O电压。上述所有零件都采用SOT-23 封装,除了bq24020 电池充电组件、TPS61020 升压转换器以及TPS61042 白光二极管驱动组件之外,它们是采用3×3 平方厘米的QFN 封装。TPS61040 和TPS61042 还内建上端FET 晶体管,每颗组件只需要一个外接二极管。bq24020、TPS622xx、TPS61020 和线性稳压器组件全都内建FET 晶体管,功率放大器和中央处理器电源采用的动态电压调整技术可以提高每颗零件的效率,进而协助降低功耗。

整合解决方案

　　最新制程技术使得工程师更容易结合、迅速修改以及／或是利用现有的离散组件设计,以便提供不同整合程度的半导体芯片,例如通用的双通道交换式转换器和电源拒斥比很高而噪声很低的双信道线性稳压器、特殊应用白光二极管的电源供应以及行动电话、PDA 和数字相机的多电源管理解决方案,这些产品都已开始供应。专门支持终端设备的电源组件则会内建各种外围,其范围从行动电话的响铃器和蜂鸣器到PDA 的通用I/O 接脚,例如图四整合解决方案所使用的TPS65010 就是这类组件。

         图五   整合式解决方案

        在此解决方案中,3.3V I/O 电源是由SEPIC 转换器提供,它让应用系统能充份利用锂离子电池电力,直到电池电压降至最低水平（大约2.7V）。和离散解决方案一样,稳压器输出也来自3.3V 输入电源,以便提高工作效率。TPS65010 采用48 只接脚QFN 封装,这些组件都内建FET 晶体管。TPS61130 SEPIC 转换器采用4×4 平方厘米QFN 封装,并且内建FET 晶体管,最高达到90％以上效率,TPS5100 则是三通道输出控制器,专门用来提供电源给显示器。功率放大器和中央处理器电源使用的动态电压调整技术可以改善每颗零件的效率,进而协助降低功耗。

离散或整合？ 

        如何在离散或整合解决方案之间做出抉择？一般说来,整合组件的成本会低于同样等级的多颗离散零件;除此之外,如同(图六)的电路板布局所示,相较于执行同样功能的多颗离散零件,TPS65010 以及与其搭配的被动零件只需较少的电路板空间,这主要是因为离散零件之间需要额外空间来容纳讯号线路。由于TPS65010 还包含原来由离散零件提供的其它功能,例如电源供应顺序、振动器和二极管驱动组件,因此整合解决方案可以节省更多电路板面积。

            图六   TPS65010 与同等级离散解决方案的电路板布比较

　　整合组件过去主要支持特殊应用,弹性也不是很高,因此在设计流程后期,它们就无法再进行重大的设计变更。然而新的制程技术,包括支持可程序输出电压以及封装后调整的整合式EEPROM,却使得工程师能以更低成本,更简单快速的对现有组件（也就是不同固定输出电压的组件）重复进行简单修改。另一方面,整合组件的供货商通常只有一家,这可能迫使厂商必须采用离散解决方案。

未来挑战

　　消费者想要操作时间更长的智能型手机,新发展的半导体制程技术已能减少泄漏电流和阻抗（有时透过铜覆盖层）,使得FET 晶体管的静态电流更低,导通阻抗也变得更小。然而不同于持续进步中的半导体技术,电池技术却没有任何重大进展,无法在不增加电池体积的情形下延长供电时间。

　　电容器技术的某些进展使得充电电池和电容器之间的界限日益模糊,许多可携式产品已开始使用高能量超级电容器（super capacitor）,做为消费者更换电池时的暂时电力来源;另外,高能量暨高功率的超高电容器（ultra capacitor）还能在短时间内提供很大电流,让电池不必瞬间供应庞大电力,可以延长电池的使用时间。这些超高电容器会整合至电池封装内,并在系统电力需求不太高时,利用微小电流充电。燃料电池近来是热门话题,但由于外形包装尚未标准化,使得燃料电池的广泛应用受到影响,商业化过程也不太顺利。燃料电池的输出瞬时响应也很糟糕,因此至少在最初阶段,燃料电池只会做为普通电池的补强装置,无法完全取代普通电池。

　　消费者还希望产品的体积更小,功能更加强大,创新的电源管理组件设计以及封装和制程技术的进步都能帮助实现此目标。日益精密的制程技术可以制造出越来越小的FET 晶体管,让晶粒和封装的体积更小,工作电压更低,闸极电容更少,使得晶体管的开关速度更快

　　—对于以电感为基础的交换式电源供应,更快的开关速度意味着更小的电感。新封装技术则能在更小的封装中容纳更多功能,并且承受更大的功耗,例如内建FET 开关的锂离子电池线性充电组件bq24010 就采用3×3 平方厘米的QFN 封装,它在普通室温环境下,最高能承受1.5W 功耗。

　　要在较低的工作电压下提供更强大功能,电源管理单元和低噪声布局的容忍要求通常也会变的更严格,例如系统若要求1.2V 电源的误差小于±3%,就表示输出电压变动幅度不能超过±36mV;相形之下,使用3.3V 电源就表示在同样的±3%误差限制下,它能容忍的电压变动高达±99mV。由于电源电压不断降低,未来几年内对于误差更小、电流更大、效率更高和电磁干扰极低的直流电源转换器的需求将会增加。除此之外,随着封装缩小,可供散热的面积也会减少,让这些高功耗组件的热管理继续成为困难挑战。

整合的力量

　　本文介绍的电源解决方案使用不同整合程度的电源组件。把部份或全部的模拟电源组件和基频处理器等数字零件整合在一起会带来许多优点,包括节省更多的电路板面积,并且降低总成本。复杂电子系统的每个部份都有着不同的需求,这是过去实现更高阶数字和模拟零件整合的障碍之一,例如数字基频单元需要高密度制程以支持数字讯号处理,模拟基频和电源功能需要电压更高的组件;射频单元,特别是锁相回路,则需要最适合支持高频操作的BiCMOS 组件。传统上,制程发展是由数字设计人员负责管理,他们通常只会推动高密度制程发展,电路若需要高电压组件,就必须采用不同制程,这表示他们需要独立的数字组件。半导体厂商不但开始发展「最小闸极长度」更短的BiCMOS 制程,以便提供很高的组件密度和工作速度,还有更高电压的汲极延伸型组件（drain extended devices）,它们已用于更多的模拟和电源应用。包括电源管理在内的许多模拟和数字功能最后都会整合成单颗芯片。

结论

　　不同程度的组件整合正在简化可携式电源设计,尤其是可携式产品的系统设计人员,他们不必再担心组件的电源需求管理,整合程度不同的电源管理组件可以帮助他们让电池提供最长供电时间,同时将电路板面积和成本减至最少。