3G手机中的电源管理趋势

2004年全球将生产5.5亿部手机，而且它们现在拥有的功能已超过只是让人们互相通话。今天最先进的3G手机具有web浏览、无线收发电子邮件、拍照以及甚至流送视频等多种功能。这些手机制造商正处日益增加的压力，以将上述功能合并到一个尺寸不断减少的外壳中，并同时提供更长的工作时间。

从图1所示的方框图中，我们容易看出日益增加的特性如何驱动对可变功率电平上更低输出电压的需求。其中一个很好的例子是用于图像处理的应用处理器，它在视频捕捉期间需要高达360mW的功率。在全负载工作时，手机内部系统负载需要超过4W的峰值功率是很普遍的情况，而这样的功耗会很快耗尽电池的能量。但影响电池工作时间的另一重要因素是电源效率及系统电源管理。

　　问题及考虑

不良的电源转换效率可导致器件发热，这种发热是产生于能量转换过程时在稳压器中的功率损耗。但手机中没有用于冷却的风扇或散热片，而只有密集封装的印制电路板。因此没有任何通道可让热量散出。这种发热等于减少电池使用寿命，反过来又会影响手机的可靠性。

由于电源转换过程中会发热，因此业内已有新的驱动力来重新思考稳压器类型的选择。制造商现在更多地采用开关稳压器来取代虽然简单、但转换效率较低的线性低压差(LDO)稳压器，因为开关稳压器具有较高的工作效率。

表1列出了可满足手机电源转换要求的几种不同类型的电压稳压器的一些优点和缺点。有三种选择：线性低压差稳压器、无电感型开关稳压器(亦称为充电泵)以及传统的开关稳压器(基于电感器) 。

线性低压差稳压器被认为是一种最简单的稳压器，它只能将输入电压转换成较低的电压，其最大的缺点是在热管理方面，因为其转换效率近似等于输出电压除以输入电压。例如，从单节锂离子电池标称的3.6V电压上提供1.8V/200mA的输出来驱动图像处理器的LDO，其转换效率仅为50%，故将在手机中产生热点并因此而减少电池工作时间。

开关稳压器可避开所有线性稳压器的效率缺点，通过低阻抗开关及一个磁性存储组件可提供高达96%的转换效率，故可极大地减少转换过程中的功率损失。通过在较高的开关频率(譬如大于2MHz)工作，可极大地减少外部电感器及电容器的尺寸。开关稳压器的缺点不严重，通常能以良好的设计技术来克服。

　　噪声干扰

线性稳压器与传统开关稳压器之间的折衷是充电泵。采用充电泵时，外部储能组件是电容器而不是电感。不用电感器可减少任何可能对敏感的射频电路或蓝牙芯片组所造成的电磁干扰，但它亦具有输入与输出电压之比及限制的输出电流能力之缺点。

防止噪声干扰的传统方法是让噪声产生电路远离噪声敏感电路。但在最先进的3G手机中，所有部件都如此密集以至于不存在这种可能性。且由于成本及尺寸原因，采取屏蔽措施又不现实。采用开关稳压器的其中一个代价是有可能产生谐波噪声。

但已成功使用的一项技术是使DC/DC转换器的系统时钟伪随机抖动。这种方法及其所实现的扩展频谱运作使开关频率受一个伪随机数(PRN)序列调制，以减少窄带谐波。这其实是将噪声“分散” 到整个频率范围上，而不是只集中在分别的谐波上。由于扩频噪声的峰值幅度要低许多，故可极大地降低干扰。尽管这种方法在过去已成功地用分立组件实现，但工艺改进现已允许将扩频技术包含到 “更新的”DC/DC转换器中，从而可节省极大的空间。

采用扩展频谱技术的单IC低噪声方法

为了更好地了解在芯片上如何实现扩频工作，参见图2所示框图。图2的双相开关电容器充电泵被用来将输入电压降至一个已稳压的输出。调整是通过一个外部电阻分压器来检测输出电压，并根据误差信号来调制充电泵输出电流而完成。双相非重叠时钟激励两个充电泵，两个充电泵异相并行工作。在时钟第一相位上，电流从VIN通过外部浮动电容器1至经过充电泵1的开关流向VOUT。在第一相位不仅为VOUT提供电流，而且也向浮动电容器充电。在时钟第二相位，浮动电容器1从VOUT连至地，并在时钟第一相位期间通过充电泵1的开关将储存电荷传向VOUT。充电泵2以同样的方式工作，但时钟相位相反。这种双相位架构通过从VIN至VOUT的恒定电荷转移来获得极低的输出和输入噪声。

利用这种开关方法，仅有一半的输出电流是从VIN提供，因此与传统低压差稳压器相比，效率可提高50%。根据一个变化的伪随机数来以周期接周期地调制振荡器频率可实现扩频工作。只需对工作频率进行几个百分比的调制即可显著降低峰值及谐波噪声。

在芯片上实现扩频工作的一款IC是由凌特提供的LTC3251。LTC3251是一款输出电流达500mA的高效、低噪声