智能电话电源管理系统的重要设计技术

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系统概况

智能电话中的不同部件有着不同的电源要求。图2示出了蜂窝电话中主要组成部分的电源需求。例如，RF部分的VCO和PLL需要噪声极低的电源电压和很高的电源抑制能力，以确保最好的发射和接收性能。所以，虽然效率很低，线性稳压器仍是其电源的最佳选择，因为它没有输出纹波。

让DC/DC变换器的开关频率及其2次和3次谐波处于IF频带之外也很重要。由于DSP/CPU核心电压已经降低到了1V，高效率的基于电感的开关型降压电源就变得有意义了。用于屏幕背光照明的LED可以通过一个电荷泵或者基于电感的降压/升压变换器来供电。

动态电压调节

图1表明，在功耗中所占比例最大的部分是RF(主要是发射机部分的PA，即功率放大器)和基带部分的处理器。PA消耗的功率与电话和基站间的距离有关，所占总功率的比例可以从通话时的75％变化到待机模式时的30%。较早的采用非线性PA的GSM电话的发射机，其典型的效率约为50％。而较新的标准，如WCDMA，则同时需要幅值和相位调制，此时，只有效率为25%~35%的线性PA才能提供如此的功能。此外，通常的CDMA2000 1x电话的基带处理器负载的要求在60~120mA范围内。因此，设法保证PA和处理器的电源效率，就显得极为关键。

与在大规模集成电路中所用的技术相似，动态/自适应电压调节(DVS/AVS)可以将处理器与稳压器连接成一个闭合回路系统，它可以将数字电源的电压调整到正常工作所需的最低水平。PA是按照在最大发射功率下保证最高的效率来优化的。由于大多数手机是在距离基站较近的位置处工作的，故手机的无线RF部分将发射功率降低到维持通话品质所需的最低功率水平上。功率水平较低时，PA的效率变差。

通过采用动态电压调节和调整功率放大器的电压，可以将效率提高10%~20%。

图2 功率放大器的效率

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