智能电话电源管理系统的重要设计技术

新的3.xG智能电话将传统的2G蜂窝式电话功能与PDA的功能特色结合起来，并包容了数码相机、音乐播放器(MP3)以及全球定位系统。种类如此之多的功能，离不开为数众多的元器件。它们中的大多数有着不同的电源电压要求，而且消耗的电流越来越多，要求更大的功耗。

同时，消费者希望电话越来越小。本文将给出两种电源管理系统，它们将有助于系统设计者在最新一代蜂窝式电话的相互矛盾的目标间寻求恰当的平衡——功耗要求不断上升；外形应尽可能地小；效率要最优化以延长电池工作时间；电源轨噪声/纹波要保持在可接受的范围之内。图1示出从2G话音电话发展到3G视频电话时对功耗需求的增加幅度的估计。

电池的选择

设计一个电源管理系统的首要任务之一，是选择一个可重新充电的电池。目前，唯一的两种现实的选择是NiMH和锂离子电池。锂离子电池的能量密度单位体积和重量(典型值为270~300 Wh/l和110~130 Wh/kg)一般高于NiMH(220~300 Wh/l和75~100 Wh/kg)。因此，如果储能相同，锂离子电池尺寸将更小，而重量也小于同级的NiMH电池。此外，锂离子电池的3.6V工作电压亦高于NiMH的1.2V。

蜂窝电话的大部分功率消耗在1.2V和3.3V电压轨上。在提高开关变换器的效率方面，从一个较高的电压降压、获得较低的电压，相应的效率要高于从较低的电压轨变换为高压的情况。因而锂离子电池是最佳的选择。

图1 功耗分析

电池的管理

可充电电池的管理对于延长电池寿命来说极为关键。电池管理包括3个部分：充电管理、电池监测和电池保护。充电管理IC已经获得了巨大的发展，从带外部无源元件的线性控制器进化为更有效的、基于开关模式、集成了开关的控制器。电池充电器必须承受500mA~1500mA范围内的电流，以实现快速的再充电。电池监测和保护IC一般与电池封装在一起。电池监测IC可以简单到采用"库仑计数器"的形式(在这种情况下，必须由CPU来计算余下的电池寿命)，也可以采取带集成微控制器的电量计的形式，它可以提供剩余容量、距电力耗尽剩余的时间、电压、温度和平均电流等方面的测量信息，并通过一个简单的通信接口与DSP/CPU实现直接的通信。

电源的结构

设计者必须确定功率IC的种类—带集成FET、基于电感的开关式变换器、无电感的开关式变换器(或者电荷泵)亦或线性的稳压器。

就效率而言，基于电感的开关式器件具有最高的总体效率，接下来分别是电荷泵和线性稳压器。成本通常与效率成反比，线性调压器是最便宜的，电荷泵其次，而基于电感的开关电源最贵。线性稳压器没有输出纹波，而电荷泵存在一定的输出纹波，开关器件的输出纹波则是三者中最高的。就解决方案的总尺寸而言，线性稳压器是最小的，一般只需一个输入和一个输出电容。电荷泵除了输入和输出电容外，还需要附加一个或两个"飞线"电容。开关电容则需要一个电感，其大小与封装尺寸有关。

在2G电话中，数字器件(如DSP和ADC)或模拟器件(如功率管理系统)的集成化程度很低。设计电源管理系统时，系统的设计者一般优先考虑成本和尺寸，然后才是效率。由于线性稳压器只能降低其输入电压，故电池在其电压跌落到3.3V以后就不能工作了。过去，一般选用低到中等电流的线性稳压器来将电池的电压变换为2.8V~3.0V范围内的电源轨。

在3.xG电话芯片组中，基带处理器如今包括一个DSP、一个微处理器/控制器、控制RF的ADC和DAC，以及音频信号处理电路。处理器的核心电压降到了1.2V，甚至更低，而I/O和外设的电压则降到了2.5V~3.0V的范围之内。由于3.x G电话电源轨的电流要求一般高于2G电话，故3.xG 设计者需要效率超出线性稳压器的DC/DC转换器，以保证更长的电池寿命。

为了进一步延长电池的寿命，很多设计者需要让锂离子电池电压降到2.7V最终电压。在这种实现方案中，一个3.3V的轨电压的产生是一大挑战。如果设计者将电池的可用范围扩展到2.7V，而采用正向降压－升压或者SEPIC变换器来提供所需的3.3V电压轨，那么，似乎很有可能会大大延长电池的工作时间。但对一个600mAh电池的分析(见表1)却表明，这并不成立。利用SEPIC型变换器来充分挖掘电池的容量，而不是在3.3V处停止电池的使用并采用效率更高的升压变换器，那么，即使能延长一点电池的使用时间，延长的量也很短。

此外，考虑到双电感SEPIC变换器的成本将会更高，采用高效率的开关式降压变换器提供3.3V的电压轨，也是一种有效的、可能更有吸引力的选择。因此，下面给出的分立的解决方案将采用降压变换器来提供3.3V电压轨，而集成化的解决方案将采用SEPIC 变换器来提供3.3V电压