混合信号集成是未来便携设备电源管理的关键

便携式电子产品的消费者不仅要求更小的外型尺寸和更长的工作时间，而且要求更多的功能。但更多功能通常意味着更多的功耗。例如，3G智能手机将提供更多的功能，但3G视频通话的功率需求几乎是2G语音通话的两倍。

当充满电时，锂离子电池的标称电压是3.6V，该电压随着电池的消耗而下降。在2G手机中，电池一般在3.3V就停止工作(手机被关闭)。因此，在手机的使用过程中，线性调节器被用来将电池电压变换到更低的电压，以适应各个供电电平(power rail)的需要。3G手机的功率需求更大，这可能导致电池被更快耗尽，除非我们找到一种更有效的方法来提供供电电平。设计这些供电电平的系统开发人员必须平衡以下相互冲突的目标：最小封装的电源芯片与不断增加的功率需求；最长的电池寿命和可接受的电源噪声/纹波与最佳的效率。幸运的是，最新的电源芯片和电源管理技术以及半导体工艺和封装技术的最新进展可以满足这些要求。

锂离子电池管理技术由三部分组成：充电控制、电池监视和电池保护。充电控制IC已经取得了重大发展，从带有外部通路元件的线性控制器到带有集成开关的开关控制器。电池监视IC类似于汽车的油量计，其集成的微控制器通过一个直接与DSP/CPU相连的简单通信接口，向后者提供剩余容量、用完之前的时间、电压、温度以及平均电流值等信息，而DSP/CPU必须根据这些数据计算剩余的电池使用时间。笔记本电脑的电池监视和保护IC通常与电池封装在一起，这种做法很可能也将在蜂窝电话和其它手持设备上流行。

设计人员必须决定用于系统各个部分的电源转换IC的类型。可供选择的IC包括基于电感的开关转换器(带有集成FET)、无电感的开关转换器、电容型充电泵或线性调节器。每类转换器与其它类型相比都具有自身的优势。就效率而言，基于电感的开关转换器具有最高的效率，其次是充电泵和线性调节器。反过来，线性调节器不会产生输出纹波噪声，而充电泵具有一些输出纹波，开关转换器则具有相对最大的输出纹波。就整个解决方案的尺寸而言，线性调节器是最小的，通常仅需要一个输入和输出电容器。除了输入和输出电容器之外，充电泵需要一个或两个额外的“运行”电容器，而开关转换器需要一个封装大小不等的电感器。为了使开关转换器达到最大的效率，把一个更高的供电电平下降到一个更低的供电电平通常比把一个低压供电电平上升到一个高压供电电平更有效。

智能手机的不同部件具有不同的电压、电流和噪声需求。例如，射频部分需要一个带有极低噪声和高电源抑制的供电电平来保证最佳的发射和接收性能。因此，虽然效率较低，但不产生输出纹波的线性调节器仍然是这种供电电平的最佳选择。与之相反，DSP/CPU内核电压已经下降到1V左右。所以为了提高此供电电平的效率，合适的方案是基于电感的开关降压转换器。用于给显示屏提供背光的白光LED则可以由充电泵或者基于电感的升压转换器来供电。

有助于优化效率的各种电源管理技术可以在系统各个部分发挥作用。例如，3.3V I/O可以由一个高效的SEPIC(单端初级电感转换器)升压转换器来供电，它允许锂离子电池工作至最低电压(大约2.7V)才耗尽。由调节器提供的电流电平是来自3.3V电源，从而提高了效率。

动态(或自适应)电压调节(DVS)技术通过I²C等通信总线，将处理器和转换器连成一个闭环系统，它可以动态地将电源电压调整到正常工作所需的最小电平。由于处理器的功耗正比于其电压的平方和工作频率，因此如果利用DVS和频率调节技术，DSP/CPU的电源效率就能够得到大幅提高。

功率放大器为了在最大发射功率下获得最高效率而做了优化。因为大部分手机在工作时比较接近基站，所以手机射频可以把发射功率降低到合格通信质量所需的最小值。通过利用DVS技术和最优化地调整功放的电压，电源效率可以提高10％到20％。

最新的开关转换器设计具有非常低的输出纹波，而且许多设计带有抗振铃电路以减少开关节点的电磁干扰(EMI)。尺寸不断缩小的工艺技术可以生产出更小的FET，这些器件不仅具有更小的裸片面积和封装尺寸，而且具有更低的栅级电容和更快的开关速度。对基于电感的开关电源而言，更快的开关速度意味着更小的电感。与此同时，最新开发的芯片制造工艺具有更低的漏电流和更低的阻抗(有时采用铜涂敷)。这分别意味着更低静态电流的FET和更低导通电阻的FET，最终结果都是获得更高效率的器件。

新型封装允许在更小的封装里提供更多功能和容忍更多功耗。例如，一个带有集成FET通路元件的锂离子线性充电器可以被封装在3×3 mm²的QFN封装中，在适当的环境温度下，该封装允许的最大功耗达1.5W。此外，便携式电子制造商正在要求把最新的和已有的电源IC封装在无引脚的芯片级封装中。

尽管分立方案似乎更适合手机各个部分对电压、电流和噪声的不同需求，但为了节省空间和减少整体成本，要求把其中一些分立器件集成在一起。集成所遇到的许多障碍，尤其是在同一个芯片上集成高电压和高密度工艺的能力已经被克服。

数字基带部分需要高密度工艺来完成数字信号处理，而模拟基带和电源管理部分需要高电压器件。RF部分，尤其是PLL(锁相环)需要针对高频工作优化的BiCMOS器件。从历史上看，数字电路设计者只关注推动高密度工艺的发展，所以需要高电压器件的电路只能采用不同的工艺来实现，这意味着分立的数字芯片。

最近，半导体制造商不仅在开发面向高密度和高速度应用、具有更小栅极长度的单BiCMOS工艺，而且还竭尽所能扩展器件的高电压能力，以用于模拟和电源应用。有关集成的另一个问题是有限的灵活性。然而，新的制造工艺技术(包括用于对输出供电电平编程的集成EEPROM和后封装调整)使得对现有芯片(如具有不同固定输出电压的芯片)进行简单的修改变得更容易、更快速和更便宜。

事实上，最新的工艺技术使得整合、修改或利用现有的分立芯片设计，以产生不同级别的集成芯片变得更容易。例如，普通双开关转换器IC、高PSRR、低噪声的双线性调节器、专用的TFT显示器和白光LED电源以及手机、PDA和数字静态照相机的多路电源解决方案都已经面市或者将在今年底推出。面向特定产品的电源解决方案已经集成了外围器件，如用于蜂窝电话的振铃和蜂鸣器控制器以及用于PDA的通用I/O(GPIO)。

作者： Jeff Falin

便携电源管理产品部应用工程师

TI公司