智能型手机电源管理系统的设计

当今科技所需求的手机电池除了要能够长时间供应稳定电源外,体积小重量轻也是关键。缩小电路板面积、增长供电时间与减少成本该如何毕其功于一役？将众多电源管理组件整合在单一芯片上将是解决问题的最好途径。

　　早期的行动电话不是体积笨重庞大,就是必须受到汽车电池的束缚,但经过长时间的发展,今天的行动电话已变得非常轻巧,除了电话功能,它们还会做许多事。新型3.xG 智能型手机把传统的2G 行动电话和多种其它功能结合在一起,包括PDA、数字相机、音乐播放机（MP3）以及全球定位系统（GPS）。如此多元的功能需要许多零件,其中绝大多数的电源电压并不相同,电流需求则不断增加,使得它们需要更多电力。(图一)是从2G 语音电话升级到3G 视讯电话后,功率需求增加的估计值。

图一 功耗值

在此同时,消费者却想要更精巧的手机。本文介绍两种电源管理系统,它们可以协助智能型手机设计人员在彼此冲突的目标间取得平衡,例如将封装减至最小,同时支持更大的功率需求;实现最佳效率,让电池提供最长的使用时间;以及将电源噪声和涟波降至可接受水平,以支持新世代的行动电话。

选择电池

　　选择充电电池是电源管理系统设计的首要工作之一,镍氢电池和锂离子电池则是目前仅有的两种实际选择。锂离子电池的单位体积蓄电量为270～300Wh/l,单位重量蓄电量为110～130Wh/kg,都高于镍氢电池的220～300Wh/l 以及75～100Wh/kg,因此在同样蓄电量下,锂离子电池的体积和重量都小于镍氢电池;另外,锂离子电池的3.6V 工作电压也高于镍氢电池的1.2V。行动电话的多数功耗都来自于1.2V 和3.3V 电源,要让交换式电源转换器发挥最大工作效率,较有效的方法通常是从高电压转换至低电压,而不是从低电压转换至高电压,因此锂离子电池是最佳选择。

　　要让充电电池提供最长使用时间,适当的电池管理和控制就显得格外重要。电池管理包含三个部份：充电控制、电池监视和电池保护。从使用外接导通组件的线性控制器开始,到内建开关组件且效率更高的交换式控制器,充电控制组件已有长足进步。电池充电器必须处理500mA 到1500mA 范围内的电流,以便提供快速的充电周期时间。电池监视和保护组件通常都与电池封装在一起,电池监视组件可以是简单的「电荷计量器」（coulomb counter）,由中央处理器负责计算电池剩余电力;也可以是内建微控制器的电池电力量测组件（gas gauge）,由它透过DSP 与处理器之间的简单界面,直接提供剩余电力、剩余供电时间、电池电压、温度和平均电流量测值等资料。

电源拓朴

　　接着,设计工程师必须决定电源转换组件的种类,它或许是以电感为基础、并且内建FET 开关的交换式电源转换器、无电感的交换式电源转换器（电荷泵浦）或是线性稳压器。这些转换器各有其优点。就效率而言,以电感为基础的转换器拥有最高的整体效率,其次是电荷泵浦,最后才是线性稳压器。成本通常反比于效率,因此线性稳压器成本最低,然后是电荷泵浦,最后则是以电感为基础的转换器。线性稳压器没有输出涟波,电荷泵浦有一些输出涟波,交换式稳压器的输出涟波则在三者之间最高。就整个解决方案的体积来看,线性稳压器的体积最小,通常只需输入和输出电容,电荷泵浦除了输入和输出电容外,还需一颗或两颗「飞驰」（flying）电容,交换式稳压器则需要电感器,因此其封装体积会有很大差异。

无论DSP 或模拟数字转换器等数字零件,或是电源管理系统等模拟零件,2G 电话几乎不提供任何的功能整合,系统设计人员在发展电源管理系统时,通常会以成本和体积为优先考虑,而不是转换效率。线性稳压器只能将输入电压转换成更低的输出电压,因此电池电压必须高于3.3V,此时可利用低电流或中电流的线性稳压器进行电压转换,以便提供电力给至2.8V 范围内的其它电源需求。在3G 芯片组中,基频处理器现已包含DSP、微处理器／微控制器、模拟数字转换器和数字模拟转换器,用来控制射频讯号和音频讯号处理。这颗处理器的核心电压已降至1.2V 或是更低,I/O 和外围电压也开始减少至2.5V 至3.0V 范围;由于3.xG 电话的电流需求通常都超过2.G 电话,3.xG 设计人员需要效率高于线性稳压器的直流电源转换器,以便提供更长的电池使用时间。为进一步延长电池寿命,许多设计人员必须尽量利用锂离子电池电力,直到其电压降至 最小值为止;在此过程中,如何产生3.3V 电压就变成一项挑战。从表面上来看,设计人员若能继续使用电池直到2.7V,并利用正电源降压-升压转换器或是SEPIC 转换器提供3.3V 电源,可携式装置的电池寿命就会大幅延长,但是根据(表一)针对600mAh 电池所做的简单分析可发现情形并非如此,因为无论是采用效率更高的降压转换器,并将电池使用到3.3V,或是采用SEPIC 之类的转换器,并将电池电力完全用尽,这两种方式的供电时间几乎没有任何区别。