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為蜂窩電話選擇最佳的電源管理

作者: 時間:2012-07-20 來源:網絡 收藏

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本文引用地址:http://m.ptau.cn/article/165250.htm

摘要

新一代手機不僅尺寸小巧,而且集成了更多的功能,如PDA功能、收/發(fā)電子郵件、信息服務以及在大尺寸、色彩豐富的顯示器上瀏覽互聯(lián)網信息。有些產品還包含了調頻(FM)收音機、MP3播放器、甚至數(shù)碼相機。

即使功能有所增加,消費者仍然期望在不增大尺寸的前提下保持持久的電池壽命。在一個更狹小的匣子里塞入更多功能,同時又要它消耗更少的功率,這給設計提出了極為苛刻的要求。為了應對挑戰(zhàn),模擬IC制造商堅持不懈地開發(fā)著更小巧、更高性能的方案。

電源IC

在大多數(shù)無線手機的心臟部分跳動著一顆電源管理IC (PMIC)。PMIC承擔著大部分供電任務和一些其他單元功能,如接口或音頻。一些占市場主導地位的模擬半導體廠商提供PMIC的定制、半定制和/或標準器件,這些器件通常采用針對混合信號和電源產品優(yōu)化的5V亞微米BiCMOS工藝。手機中任何尚未集成化的其它功能都被試圖集成到PMIC內,但通常還是建議采用一些較為適中的方案,如圖1所示。基于以下考慮,某些特定單元不應被集成:1) 該單元如果采用其他不同的工藝設計會更省錢或更小;2) 該單元可能會因技術的發(fā)展或客戶要求的變化在不同的設計版本中發(fā)生變化;3) 該單元可能在不同的平臺上不通用; 4) 該單元可能會給研發(fā)進度帶來過分的設計挑戰(zhàn)/風險;5) 該單元可能會因性能的原因(例如噪聲耦合)不適合被集成。

毋庸置疑,集成盡可能多的功能單元到PMIC中目的就是為了節(jié)省成本和尺寸,尤其是當這種集成方案被大批量的手機普遍接受時。風險可以通過隨著設計的改進逐步提高集成度而得以控制。

低壓差線性穩(wěn)壓器

內部一般會用到5至12個獨立的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO),LDO的數(shù)量如此之多并不代表終端內部存在同樣多數(shù)量的電壓規(guī)格,而是由于LDO還被當作具有一定電源抑制比(PSRR)的on/off開關來阻止噪聲耦合。大多數(shù)LDO集成在PMIC內部,但仍有個別分離的LDO被保留下來,主要是考慮到PCB的布局/布線、一些特殊元件(如壓控振蕩器)對噪聲過于敏感、或者用來驅動一些非標單元例如集成數(shù)碼相機等。多年以來,SOT23封裝的150mA LDO是這些離散電源的。目前,一些最新面世的IC采用新型封裝、新型亞微米處理工藝和先進的設計方案,能夠以更小的尺寸提供更高的性能。現(xiàn)在你可以由SOT23獲得單個300mA的LDO,SOT23封裝的兩路150mA LDO,或微型SC70封裝的單個120mA LDO,兼有標準版和超低噪聲(10?VRMS、85dB PSRR)版器件。此外,更為先進的晶片級封裝(UCSP)提供了最大可能的細小尺寸,而QFN封裝則允許在3mm x 3mm面積的塑料封裝中裝入最大的晶片尺寸,同時又提供更高的熱傳導能力。因此,QFN封裝可實現(xiàn)更高電流的LDO和每封裝更多數(shù)量的LDO。其中可包含三個、四個甚至五個LDO,這就縮小了分離式方案和PMIC之間的差異。

用于處理器核的降壓型(buck)轉換器

LDO具有簡單、小尺寸等特點,其主要缺陷是效率較低,特別是為低壓電路供電時效率問題更加突出。由于在新一代內部集成了PDA功能或互聯(lián)網功能,要求處理器的數(shù)據(jù)處理能力、運算能力更加強大,為了降低功耗處理器的核電壓不斷降低,從1.8V降到了0.9V。為了降低電池損耗,應采用高效的降壓型轉換器為處理器核供電。設計中需要考慮的主要因素有:低成本、小尺寸、高效率、低靜態(tài)(待機)電流和快速瞬態(tài)響應。為解決上述問題不僅需要豐富的模擬設計經驗,還需要一定的獨創(chuàng)能力。就目前來說,只有少數(shù)幾家領先的模擬半導體制造商能夠提供適當?shù)摹OT23封裝、具有1MHz以上開關頻率、允許選用微型外部電感和電容元件的降壓型轉換器。

為RF功率放大器供電的降壓型(buck)轉換器

在比較成熟的日本蜂窩電話市場,buck轉換器還被用于驅動CDMA射頻功率放大器(PA),它會隨著終端與基站之間距離的改變動態(tài)調節(jié)功放的VCC電源電壓??紤]了發(fā)送概率密度函數(shù)后,buck轉換器平均可節(jié)省40mA到65mA的電池電流。具體節(jié)省電流的數(shù)量取決于輸出電壓的級數(shù)、PA的特性、以及是在城區(qū)還是郊區(qū)發(fā)送語音或數(shù)據(jù)?;谌毡镜某晒涷灪鸵患覛W洲WCDMA廠商的先期工作,韓國、美國和其他一些歐洲的蜂窩電話廠商現(xiàn)已開始利用這種開關調節(jié)器進行測試或設計。要求這種buck轉換器具有非常小的尺寸、低成本、低輸出紋波和高效率等特點。SOT23轉換器再次成為優(yōu)選方案。為保持盡可能低的壓降,通常采用一個分離的低RDS(ON) P溝道MOSFET在高發(fā)送功率時直接由電池驅動PA。為了進一步減小總體尺寸,最新的降壓轉換器(例如MAX8500系列)集成了這個附加的FET。

越來越多的LED

帶有彩色顯示屏的無線手機中,白色LED因其電路簡單和非常高的可靠性現(xiàn)已成為背光應用中的主流。效率高于鹵素燈,但還無法與熒光燈相比。新一代蜂窩電話一般使用三或四只白色LED在主顯示屏中,兩只白色LED在副顯示屏中(折疊式設計),還有六只或更多白色或彩色LED在鍵盤的背面。如果集成有相機的話,還至少需要四只白色LED用于閃光燈/頻閃和MPEG影像照明。這樣,在一個手機內總共用到了16只LED,它們全部都需要恒流驅動。

數(shù)年以前,第一代產于日本的彩顯手機采用的是效率較低的1.5倍壓電荷泵和鎮(zhèn)流電阻(這種方案實際上浪費掉了他們經過千辛萬苦,利用buck轉換器驅動PA所省下的40mA電流)。目前,大多數(shù)設計中采用基于電感的升壓轉換器來獲得更高的轉換效率。新推出的1倍/1.5倍壓電荷泵可以獲得同樣高的效率,而且省去了外部電感,只是與LED連接時需要許多引線。由于LED電源的市場非常大,不可勝數(shù)的IC被設計出來用于此目的。設計中需要考慮的因素包括:高效率,小尺寸外部元件,低輸入紋波(防止噪聲耦合到其它電路),簡單的調光接口,以及其他一些有利于降低成本或增加可靠性的特性,例如輸出過壓保護。一些PMIC包括一個白色LED電源,但通常不能驅動多個顯示器或相機的頻閃,而且可能存在效率低或開關速度過慢的問題。這就要求大尺寸的電感和電容,并產生很大的輸入紋波。很多設計中常常需要采用一個分離的IC與PMIC配合工作,或直接選用高集成度的分離方案。


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