3G手機電源管理的設計

不斷增多的功能使手機設計面臨更嚴峻的電源管理挑戰(zhàn)。本文從電壓轉換、穩(wěn)壓、閃光燈電路、電池充電等方面分析了未來手機的電源管理設計趨勢和各種相應的解決方案。

3G手機不僅可以瀏覽網頁、發(fā)送電子郵件、拍攝數碼相片，甚至能播放視頻流。手機制造商正面臨越來越大的壓力，因為他們必須把這些功能集成進不斷縮小的體積內，同時要讓手機維持較長的工作時間。

從圖1可以看出，不斷增多的功能促使手機需要更多不同功率水平的低電壓輸出電平。一個例子是用于圖像處理的應用處理器，它在視頻捕獲期間需要高達360mw的功率。在滿負荷運行時，手機內部系統(tǒng)的負載所需的峰值功率通常將超過4W。這么高的功率會很快耗盡電池的能量。影響電池運行時間的另一重要因素是電源效率和系統(tǒng)電源管理。

圖1

低電源轉換效率將導致發(fā)熱。這種熱量是因為電壓調節(jié)器在能量轉換過程中的功率損失而產生的。但手機中沒有用于冷卻的風扇或散熱片，而只有密集封裝的印制電路板。因此沒有任何通道可讓熱量散出。這些熱量會縮短電池壽命，并降低產品的可靠性。

由于電壓轉換期間會產生熱量，業(yè)界需要重新考慮應該采用何種穩(wěn)壓器。目前，制造商正在采用開關調節(jié)器取代簡單但低效的線性低壓降(LDO)穩(wěn)壓器，因為開關調節(jié)器具有更高的效率。

對于可滿足手機內部電源轉換需求的不同電壓穩(wěn)壓器，我們必須認真考慮它們的優(yōu)缺點(見表1)。目前有三種選擇：線性LDO穩(wěn)壓器、無電感型開關穩(wěn)壓器(亦稱為充電泵)以及傳統(tǒng)的開關穩(wěn)壓器(基于電感器) 。

線性LDO穩(wěn)壓器被認為是最簡單的方案，它只能將輸入電壓轉換到更低的電壓。它最顯著的缺點是熱量管理，因為它的轉換效率接近于輸出電壓與輸入電壓的比值。例如，一個LDO的輸入端是標稱為3.6V的單單元鋰離子電池，它在輸出電流為200mA時提供1.8V的輸出電壓，以驅動圖像處理器。那么，它的轉換效率只有50%，因此它會在手機內部產生熱點，同時會縮短電池使用時間。

開關穩(wěn)壓器可避開所有線性穩(wěn)壓器的效率缺點。通過使用低阻抗開關和磁存儲組件，開關穩(wěn)壓器的效率能達到96%，從而顯著減少轉換過程的功率損耗。由于工作在非常高的開關頻率(大于2MHz)，這可以減小外部電感和電容的尺寸。開關穩(wěn)壓器的缺點比較少，而且能夠通過良好的設計技術加以克服。

介于線性穩(wěn)壓器與傳統(tǒng)開關穩(wěn)壓器之間的是充電泵。在充電泵中，外部儲能元件是電容而不是電感。由于沒有電感，它可以減輕潛在的電磁干擾問題，以免影響敏感的RF接收器或藍牙芯片組。充電泵的缺點是有限的輸入輸出電壓比以及有限的輸出電流能力。

拍照功能引發(fā)的挑戰(zhàn)

許多3G手機都能拍照甚至傳送視頻流。不過，當消費者開始接受這些內置相機的手機時，他們要求擁有更高質量的攝像能力。業(yè)界已經準備采用改進的圖像傳感器和光學系統(tǒng)，但工程師要特別關注高質量的 “閃光” 照明。閃光燈是獲得良好攝像性能的關鍵，但當你準備在結構緊湊的3G手機上實現(xiàn)這項功能時必須謹慎考慮。

對于兩百萬像素照相手機，內置閃光燈的尺寸和性能是系統(tǒng)設計師需要考慮的兩個關鍵因素。現(xiàn)在，閃光照明有兩種實際選擇：白光LED(發(fā)光二極管)和閃光燈。表2比較了LED與閃光燈的性能。LED的優(yōu)勢是具有連續(xù)工作能力，而且只需要低密度的支持電路。

然而，閃光燈擁有一些對高質量攝像特別重要的特性。它的線源光輸出是點源LED的數百倍，因而可以在大范圍內產生密集且容易發(fā)散的光線。此外，閃光燈的色溫是5500°K至6000°K，這非常接近自然光，從而消除了白光LED在藍光峰值輸出時所需的色彩校正。

大多數設計師希望擁有氙閃光燈的性能，但他們必須保證電路尺寸和復雜度不會對方案的具體實現(xiàn)造成負面影響。要更好地理解與此任務相關的設計困難，設計師必須仔細考慮閃光燈的物理尺寸和操作以及為了確保它安全、正確地工作所需的支持電路。

閃光燈及其支持電路

閃光燈通常是一個充滿氙氣的圓柱形玻璃管，其陽極與陰極都直接與氙氣接觸，而沿燈管外表面分布的觸發(fā)電極則不與氙氣接觸。氣體擊穿電壓一般是在幾千伏范圍內。一旦發(fā)生擊穿，燈阻抗會下降到1W以下，此時流過擊穿氣體的高電流就會產生強烈的可見光。

閃光燈由觸發(fā)電路和一個可產生高瞬態(tài)電流的儲能電容控制。工作時，閃光電容器一般被充電至300V。最初，電容器不能放電，因為閃光燈處于高阻抗狀態(tài)。但當觸發(fā)電路接到命令后即會給燈施加數千伏的高壓，于是燈被擊穿，從而使電容器放電。對閃光重復率的主要限制是燈能否安全散熱。第二個限制是充電電路給閃光電容器充滿電所需的時間。根據目前的輸入功率、電容值及充電電路特性，充電時間一般在1到5秒之間。

閃光電容器充電器基本上是一種具有某些特殊能力的變壓器耦合升壓轉換器。當其 “充電” 控制線為高電位時，穩(wěn)壓器同步內部功率開關，使升壓變壓器產生高電壓脈沖。然后，這些脈沖再經整流和濾波，產生300V的直流輸出，其轉換效率高達80%。

凌特提供一種可滿足以上所有技術及性能要求的完整閃光燈電路。通過利用LT3468-1(一款采用SOT-23封裝的閃光電容器充電器)，該解決方案可提供適合3G手機的緊湊外形。

圖2