智能手机电源管理系统的设计

系统概述
　　智能电话中对不同组件的电源要求不同。图 2 中显示了蜂窝电话中主要组件电源需求的简单结构图。例如，射频部分的 VCO 与 PLL 要求电源电平具有极低的噪声与极高的电源抑制，以确保提供最高的收发性能。因此，尽管线性稳压器的效率非常低，但由于它没有输出纹波，因而对于该电平来说是最佳的选择。此外，它对在 IF 频带外保持 DC/DC 转换器的交换频率以及其第 2 个与第 3 个谐波来说非常重要。由于 DSP/CPU 内核电压已降至大约 1V 左右，因此基于电感器的高效率开关降压转换器也是合适的选择。提供屏幕背光的白色 LED 可通过充电泵或基于电感器的升压转换器来实现供电。

　　动态电压估量
　　图1显示了功率需求最大的两个组件，一个是射频部分，其主要是发送器的功率放大器 (PA)，另一个是基带处理器。根据电话距离基站的远近程度，一次呼叫 PA 可消耗高达 75% 的总电量，而在待机模式下仅消耗 30%。通常，带有非线性 PA 的旧式 GSM 电话发送器的效率大约为 50%。但是，像 WCDMA 这样的最新标准则要求幅度与相位同时调制，而这只能通过工作效率在 25% 至 35% 之间的线性 PA 来提供。此外，CDMA2000 1x 电话的正常基带处理器负载要求均在 60 至 120 mA 之间。因此，为 PA 及处理器提供最大功效是至关重要的。

　　与大规模集成 IC 中所采用的技术类似，动态／自适应电压估量 (DVS/AVS)在闭环系统中将处理器与稳压器链接在一起，该系统可对数字电源电压进行动态调节，以达到执行相应操作所需的最低电平。PA 经过专门优化，可在最大的发送功率下提供最高的效率。由于大多数手机在使用时都距基站较近，因此手机无线电可将发送功率降至维持高质量通信所需的最低水平。电源级别降低时，PA 效率也会相应降低。从图 3 中可以看出，通过采用动态电压估量并调节功率放大器的电压，可以将效率提高10% 到 20%。
　　由于数字处理器的功耗与电压的平方成正比，因此动态电压估量也可用于CPU。如果 CPU 在待机或某些其它功能减少的模式下能够以较低的频率继续操作，则可降低其电压，以降低功耗、提高效率并延长电池使用寿命。例如，假设OMAP1510 芯片使用具有 3.6 V、1Ahr 锂离子电池输入的 TPS62200 来进行供电，其特性如下：
　　无 DVS 的深度休眠（PFM 模式下的 TPS62200）：
　　Vout = 1.5V @ 300uA
　　效率 = 93%
　　具有 DVS 的深度休眠（PFM 模式下的 TPS62200）：
　　Vout = 1.1V @ 250uA
　　效率 = 93%
　　AWAKE （PWM 模式下的 TPS62200）：
　　Vout= 1.5V @ 100mA
　　效率 = 96%
　　假设用法配置为 5% 的 AWAKE 及 95% 的深度休眠，可以将输出电源与时的关系绘制成图形，从图中可以看出，通过采用深度休眠模式下的 DVS，电池使用寿命可延长 9 小时。
　　离散解决方案
　　图 4 显示了通过分立 IC 并将电池电压限制在 3.3 V 的条件下实施的电源管理系统。
　　在该解决方案中，高效 TPS62200 降压转换器以 100% 的占空度模式运行，使得锂离子电池的电压几乎可以降至 3.3 V，同时仍可提供 3.3 V I/O 电平。除了bq24020 电池充电器、TPS61020 升压转换器及 TPS61042 WLED 驱动器采用 3×3 mm2 QFN 封装之外，上述所有组件均采用 SOT-23 封装。TPS61040 与 TPS61042集成了高侧 FET，每个组件只需要一个外部二极管。bq24020、TPS622xx、TPS61020 以及线性稳压器器件均集成了 FET。功率放大器及CPU 电源电平上的动态电压估量功能通过提高每个组件的效率，有助于降低功耗。

　　集成解决方案
　　借助最新的工艺技术，可以更轻松地组合、快速修改与／或充分利用现有的分立 IC 设计，以生产出不同级别的集成 IC。例如，普通双开关转换器 IC 与双高 PSRR、低噪声线性稳压器、专用白色 LED 电源、手机、PDA 以及数码相机多电平电源管理解决方案目前均已上市。采用电源 IC（如下图 5 中 所示的集成解决方案中所使用的 TPS65010）的终端设备均集成了外设，它的功能包括从支持手机的振铃与蜂鸣器控件到支持 PDA 的通用 I/O（如GPIO）。

　　在此解决方案中，3.3 V I/O 电平由 SEPIC 转换器提供，该转换器允许锂离子电池降至其最低电平（大约2.7 V）。如同在离散解决方案中一样，由稳压器提供的电平可从 3.3V 电平开始降低，以提高效率。TPS65010 采用 48 引脚 QFN 封装，并完全集成了 FET。采用 4×4mm2 QFN 封装的 TPS61130 SEPIC 转换器集成了 FET，并可获得 90% 以上的效率。TPS5100 是一款三输出控制器，专门设计用于电源显示。PA 及 CPU 电源轨上的动态电压估量功能通过提高每个组件的效率，有助于降低功耗。