智能型手机电源管理系统的设计

表一 60mAh 电池分析

除此之外,无论是使用两颗电感的SEPIC 转换器,或是某些效率更高的新型正电源降压-升压转换器,它们的成本都更高,因此在做整体评估时,只使用3.3V 以上的电池电力,然后利用高效率交换式电源转换器提供3.3V 电源的方法不但更有效率,还可能是更具吸引力的选择。以下介绍的离散解决方案就是使用降压转换器提供3.3V 电源,整合式解决方案则采用SEPIC 转换器。

系统概述

不同的智能型手机零件有着不同的电源需求,(图二)是行动电话中需要电源的主要零件简单方块图,例如射频单元的压控振荡器（VCO）以及锁相回路（PLL）就需要极低噪声和很高电源拒斥比的电源,确保它们提供最高的传送和接收效能,因此虽然线性稳压器的效率不高,但由于它没有输出涟波,所以是这类电源供应的最佳选择;同样重要的是将直流转换器的开关频率,还有它们的二阶和三阶谐波,都保持在中频频带之外。由于DSP 和中央处理器的核心电压已降至1V 左右,以电感为基础的高效率交换式降压转换器是理想选择。至于屏幕背光照明所使用的白光二极管,其电源可来自电荷泵浦或电感式升压／降压转换器。

图二 智能型手机电源方块图

动态电压调整（Dynamic Voltage Scaling）

　　从图一可看出,电源需求最高的两颗零件是在射频单元,分别是发射机的功率放大器和基频处理器。随着电话与基地台之间的距离不同,功率放大器在通话过程中最多消耗75 ％的总功耗,待命模式则只有30％。采用非线性功率放大器的旧型GSM 电话发射机的典型工作效率约为50％,但是WCDMA 等较新标准却同时需要振幅及相位调变,这只有工作效率在25％至35％之间的线性放大器可以提供。除此之外,CDMA2000 1x 手机的正常基频处理器负载需求是在60 至120mA 范围,因此提供最有效率的电源给功率放大器和处理器就显得极为重要。

　　动态／可适性电压调整技术（DVS/AVS）与高整合度组件所使用的方式很类似,它会把闭回路系统中的处理器和稳压器连结在一起,并在确保系统正常工作的情形下,将数字电源供应的输出电压动态调整至最小值。功率放大器会被最佳化,使它在最大传送功率下拥有最高效率。由于绝大多数手机都在基地台附近工作,手机的无线电功能会在维持通讯质量的前题下,将传送功率降至最低水平。当功率放大器在较低的功率水平下工作时,它的效率会受到影响,从(图三)可以看出,利用动态电压调整技术来调整功率放大器的电压,它的工作效率会增加10％至20％。

图三 功率放大器效率

数字处理器的功耗正比于电压平方,因此中央处理器也能采用动态电压调整技术;当中央处理器进入待命模式或其它功能精简模式,它就能在较低的频率频率下工作,此时可将处理器电压降低,以便减少功耗,提升工作效率,延长电池寿命。就以OMAP1510 为例,假设它的电源是由TPS62200 供应,并使用1 安培小时的3.6V 锂离子电池输入,其它特性包括： ●睡眠模式（TPS62200 采用PFM 调变）未用动态电压调整：Vout = 1.5 V @ 300 µA ;效率= 93％ ●正常工作模式（TPS62200 采用PWM 调变）：Vout = 1.5 V @ 100 mA ;效率 = 96％

　　假设此组件95％时间处于睡眠模式,5％时间处于正常工作模式,则从输出功率与时间的关系图可看出,将动态电压调整技术用于睡眠模式,电池寿命会最多延长9 个小时。

离散解决方案

　　(图四)是利用离散组件实作的电源管理系统,电池电压限制为3.3V。

图四 利用离散组件实作的电源管理系统

　　在这个解决方案中,就算锂离子电池下降至3.3V 左右,在100％负载周期模式下工作的高效率TPS62200降压转换器仍能提供3.3V 的I/O电压。上述所有零件都采用SOT-23 封装,除了bq24020 电池充电组件、TPS61020 升压转换器以及TPS61042 白光二极管驱动组件之外,它们是采用3×3 平方厘米的QFN 封装。TPS61040 和TPS61042 还内建上端FET 晶体管,每颗组件只需要一个外接二极管。bq24020、TPS622xx、TPS61020 和线性稳压器组件全都内建FET 晶体管,功率放大器和中央处理器电源采用的动态电压调整技术可以提高每颗零件的效率,进而协助降低功耗。

整合解决方案

　　最新制程技术使得工程师更容易结合、迅速修改以及／或是利用现有的离散组件设计,以便提供不同整合程度的半导体芯片,例如通用的双通道交换式转换器和电源拒斥比很高而噪声很低的双信道线性稳压器、特殊应用白光二极管的电源供应以及行动电话、PDA 和数字相机的多电源管理解决方案,这些产品都已开始供应。专门支持终端设备的电源组件则会内建各种外围,其范围从行动电话的响铃器和蜂鸣器到PDA 的通用I/O 接脚,例如图四整合解决方案所使用的TPS65010 就是这类组件。