便攜式應(yīng)用設(shè)備電源設(shè)計(jì)的未來發(fā)展

　　美國國家半導(dǎo)體（National Semiconductor）為便攜式應(yīng)用設(shè)備提供了多種電源管理解決方案：（1）智能WLED背光驅(qū)動(dòng)器；（2）適用于射頻功率放大器（RF PA）的雙模式SuPA；（3）高級(jí)電源管理裝置PMU。

　　1 智能WLED背光驅(qū)動(dòng)器

　　在過去數(shù)年里，液晶顯示屏（LCD）已極大地改進(jìn)了其尺寸和分辨率。為使影片和圖像更逼真、更具吸引力，背光逐漸成為優(yōu)化改進(jìn)的重點(diǎn)。隨著高速3G數(shù)據(jù)流服務(wù)的發(fā)展，LCD的尺寸變得越來越大，為滿足不斷增加的多媒體內(nèi)容的需求，LCD的用電量也與日俱增。如何延長系統(tǒng)待機(jī)時(shí)間與視頻播放時(shí)間是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員當(dāng)前關(guān)注的問題。

　　傳統(tǒng)小面板LCD顯示屏的背光通過一對白色發(fā)光二極管（LED）來實(shí)現(xiàn)。對于小面板LCD，白色LED并聯(lián)使用，并由一個(gè)充電泵供電。主要原因在于充電泵的成本較低，且每個(gè)LED的亮度均勻性要求并不十分嚴(yán)格。而大面板LCD使用6個(gè)或以上的LED，其均勻性和效率要求非常嚴(yán)格。在這種情況下，充電泵無法滿足其要求，而升壓轉(zhuǎn)換器在這方面優(yōu)勢明顯。美國國家半導(dǎo)體新推出的LM3530不僅可向多達(dá)11個(gè)串聯(lián)白色LED供電，還可控制電流。圖1為LM3530的典型應(yīng)用電路。

　　LM3530具有1 A限電流的特征以及從2.7 V～5.5 V的輸入電壓范圍，使設(shè)備可作為一種多用途的背光電源，非常適合用于單一鋰電池的電壓范圍。通過I2C可兼容接口在5 mA～30 mA范圍內(nèi)調(diào)節(jié)最大LED電流。與傳統(tǒng)的WLED驅(qū)動(dòng)器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不同，LM3530擁有真正的關(guān)機(jī)功能以提高效率。此外，它還具有高達(dá)43 V的過電壓保護(hù)功能。LM3530最強(qiáng)大的功能在于其具有支持環(huán)境光感應(yīng)（ALS）和動(dòng)態(tài)背光控制（DBC）的能力。

　　ALS：環(huán)境光感應(yīng)，常用來測量外部光。在較亮的環(huán)境中，背光需要更大的電流來照亮顯示屏，在較暗的環(huán)境下，背光可調(diào)低。而在傳統(tǒng)的ALS中，處理器需要不斷輪詢環(huán)境光傳感器的輸出狀態(tài)，以確定是否要增強(qiáng)或減弱亮度。

　　DBC：動(dòng)態(tài)背光控制。在本系統(tǒng)中，顯示驅(qū)動(dòng)器分析內(nèi)容，并輸出背光驅(qū)動(dòng)器所要求的設(shè)置。這就是所謂的內(nèi)容調(diào)整背光控制（CABC）。在環(huán)境照明的基礎(chǔ)上調(diào)整亮度，從而可獲得更佳的對比度和暗電平。

　　LM3530將這2個(gè)信號(hào)進(jìn)行結(jié)合，并針對不同情況智能化地確定正確的背光設(shè)置。整個(gè)過程無需處理器參與。用戶可編程ALS的性能，從而根據(jù)不同的應(yīng)用進(jìn)行定制?？紤]到可通過邏輯電平脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)來調(diào)節(jié)LED電流，因此可使用I2C接口啟用PWM亮度控制。集成ALS和CABC支持能力可節(jié)省高達(dá)50%的電能。

　　從典型應(yīng)用電路上可以看到，LM3530集成有將模擬輸出環(huán)境光傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)換成用戶指定亮度級(jí)的雙輸入環(huán)境光感應(yīng)接口（ALS1和ALS2）。環(huán)境光感應(yīng)電路具有4個(gè)可編程邊界，定義了5個(gè)環(huán)境亮度區(qū)域。每個(gè)環(huán)境亮度區(qū)域?qū)?yīng)1個(gè)可變編程亮度閾值。可編程的ALS接口用來接收來自ALS1或ALS2的最低電壓和最高電壓，或選擇接收來自ALS1或ALS2的環(huán)境光信息。在區(qū)域改變之后，LM3530將發(fā)出中斷信號(hào)，處理器可調(diào)節(jié)鍵盤發(fā)光二極管或進(jìn)行其他操作；ALS輸入端還可以使用近程傳感器，當(dāng)有電話呼入且用戶接聽電話時(shí)，手機(jī)可讓LM3530選擇接收近程傳感器輸出。LM3530將鎖定顯示屏并相應(yīng)地減弱背光，以節(jié)省電能并防止誤觸發(fā)觸控面板。除ALS和DBC以外，12位調(diào)光器能夠輕松地平順調(diào)光的工作。與此同時(shí)，在任何給定的最大LED電流設(shè)置條件下，可采用127指數(shù)或線性調(diào)光級(jí)別進(jìn)一步調(diào)節(jié)LED亮度。

　　2 適用于射頻功率放大器（RF PA）的SuPA

　　目前，3G手機(jī)正在世界范圍內(nèi)加速推廣。同時(shí)，更大的數(shù)據(jù)速率也帶來了電流消耗和散熱問題。目前的功率放大器均由電池直接供電，這雖然可以輕松實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)實(shí)施，但根據(jù)這種標(biāo)準(zhǔn)制造的線性功率放大器在整個(gè)傳送功率譜中只能實(shí)現(xiàn)較低的效率。如何以同樣的高性能電池延長通話時(shí)間和電池壽命，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員急需解決的問題。

　　圖2為射頻功率放大器的損耗和低效率架構(gòu)。在RF IN處，功率為28 dBm，對于天線處的III級(jí)功率要求，最大輸出功率為24 dBm。因此，在最大功率時(shí)，附加功率效率（PAE）僅有40％。除PAE外，射頻功率放大器的另一個(gè)重要規(guī)格是鄰道功率/泄漏比（ACPR/ACLR）。由于功率放大器和其他子系統(tǒng)具有干擾無線電信道或系統(tǒng)的傾向，因此PAE和ACPR/ACLR常用來特征化功率放大器和其他子系統(tǒng)的失真。為保證高線性，無論是在正?；驑O端條件下，其均應(yīng)符合規(guī)格的要求。

　　為了提高系統(tǒng)性能并延長電池壽命，美國國家半導(dǎo)體引進(jìn)了可用于射頻功率放大器（PA）的電源管理技術(shù)，稱為SuPA。SuPA可用于功率放大器的開關(guān)單元，這是一種向PA提供電源電壓的專用DC/DC轉(zhuǎn)換器。圖3為對其改進(jìn)射頻功率放大器子系統(tǒng)的原理進(jìn)行的說明。

　　在傳輸功率增加的同時(shí)，Vout也隨之增加。因此，要保持ACLR規(guī)格，必須改變SuPA的輸出電壓，以保證不會(huì)出現(xiàn)失真且線性不受影響。LM3212將2.7 V～5.5 V的輸入電壓降低至0.6 V～3.4 V的動(dòng)態(tài)可調(diào)輸出電壓。使用VCON模擬輸入來設(shè)置輸出電壓。動(dòng)態(tài)可調(diào)輸出電壓確保在射頻功率放大器的全部功率級(jí)下高效工作。在關(guān)機(jī)模式下，設(shè)備關(guān)閉并將電池消耗降低至0.02 μA。

　　當(dāng)以GSM模式使用時(shí)，LM3212可支持高達(dá)2.5 A的電流。利用內(nèi)部同步整流，LM3212可實(shí)現(xiàn)達(dá)95%的效率。美國國家半導(dǎo)體開發(fā)的LM3212既可解決效率問題，又可滿足GSM/EDGE（2G）和WCDMA/EVDO/TDSCDMA（3G）標(biāo)準(zhǔn)的要求。電池電流在30 dBm時(shí)降低了50%。Vcon可由來自基帶的DAC輸出控制，也可由GPIO產(chǎn)生的濾波可變占空比PWM信號(hào)控制。

　　3 高級(jí)電源管理裝置PMU

　　在開發(fā)電池直接供電設(shè)備（如手機(jī)、PMP、DSC）時(shí)，如果電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理，整個(gè)系統(tǒng)架構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)和電源分配架構(gòu)將受到影響。與此同時(shí)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)人員應(yīng)更多地考慮如何節(jié)省電池電量，為了降低電池電流，當(dāng)今的便攜式產(chǎn)品處理器通常具有多種工作模式（待機(jī)、睡眠、深度睡眠），即當(dāng)用戶系統(tǒng)不需要全負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，處理器可進(jìn)入較少功耗的低功率模式。

　　從便攜式產(chǎn)品電源管理的開發(fā)趨勢來看，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員需考慮以下幾個(gè)方面：高靈活性、高集成性和高效。解決這些難題的常用方法是選擇一種具有可編程性的電源管理裝置來管理電源系統(tǒng)。美國國家半導(dǎo)體推出的LP8720是一款非常智能且高效的電源管理解決方案，其尺寸為2.5 mm×2.0 mm×0.6 mm，微表面貼裝組件（SMD）封裝的多功能可編程電源管理裝置。該設(shè)備集成有1個(gè)基于動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)（DVS）的高效400 mA逐降DC/DC轉(zhuǎn)換器、5個(gè)低噪音低壓差（LDO）穩(wěn)壓器和1個(gè)400 kHz I2C可兼容接口。

　　具有中斷功能特性的LP8720將發(fā)出一個(gè)熱關(guān)機(jī)預(yù)警中斷信號(hào)并啟動(dòng)熱關(guān)機(jī)。設(shè)備帶有一個(gè)用來設(shè)置默認(rèn)電壓和啟動(dòng)順序的控制輸入DELSEL，且必須和電池（BATT）牢牢相連或牢牢接地（GND）、或讓其浮接（Hi-Z），以作特定應(yīng)用。當(dāng)供電應(yīng)用設(shè)備時(shí)，處理器LP8720用作子PMU，且可在待機(jī)模式下通過I2C首先對其進(jìn)行編程（設(shè)置），以獲得預(yù)期電壓和順序，這對不同的多媒體處理器相當(dāng)有用。LP8720還帶有另一個(gè)用來設(shè)置串行接口的從機(jī)地址的控制輸入IDSEL，也必須和電池（BATT）牢牢相連或牢牢接地（GND）、或讓其浮接（Hi-Z），以獲得不同的I2C地址。

　　如果LDO的負(fù)載電流和降壓轉(zhuǎn)換器負(fù)載電流的總和不超過5 mA，則用戶可將LP8720設(shè)置成睡眠模式。在睡眠模式下，PMU的靜態(tài)電流在降壓轉(zhuǎn)換器和LDO1啟用的情況下將進(jìn)一步降低至100μA。在睡眠模式下，LDO和降壓轉(zhuǎn)換器不可負(fù)載大電流。LP8720在兩種情況下可進(jìn)入睡眠模式：一種是通過串行接口來控制；另一種是通過DVS-插腳來控制。

　　LP8720的降壓轉(zhuǎn)換器通過I2C和GPIO支持動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)，這意味著系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可根據(jù)其偏好，使用I2C或GPIO來實(shí)現(xiàn)DVS。通過2 MHz的切換頻率來使用2.2 μH的小電感器。自動(dòng)PFM/PWM開關(guān)保證降壓轉(zhuǎn)換器能在不同負(fù)載情況下高效工作?？赏ㄟ^選擇外部反饋電阻器網(wǎng)絡(luò)來設(shè)置降壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓，如圖4所示。可調(diào)節(jié)Vout來使FB插腳處的電壓等于0.5 V。FB插腳至接地（RFB2）的電阻約為200 kΩ贅，這有助于讓流經(jīng)電阻器