3G手機中的電源管理趨勢

引言
2004年全球?qū)⑸a(chǎn)5.5億部手機，而且它們現(xiàn)在擁有的功能已超過只是讓人們互相通話。今天最先進的3G手機具有web瀏覽、無線收發(fā)電子郵件、拍照以及甚至流送視頻等多種功能。這些手機制造商正處日益增加的壓力，以將上述功能合并到一個尺寸不斷減少的外殼中，并同時提供更長的工作時間。

圖1  最先進3G手機的方框圖
從圖1所示的方框圖中，我們?nèi)菀卓闯鋈找嬖黾拥奶匦匀绾悟?qū)動對可變功率電平上更低輸出電壓的需求。其中一個很好的例子是用于圖像處理的應用處理器，它在視頻捕捉期間需要高達360mW的功率。在全負載工作時，手機內(nèi)部系統(tǒng)負載需要超過4W的峰值功率是很普遍的情況，而這樣的功耗會很快耗盡電池的能量。但影響電池工作時間的另一重要因素是電源效率及系統(tǒng)電源管理。

問題及考慮
不良的電源轉(zhuǎn)換效率可導致器件發(fā)熱，這種發(fā)熱是產(chǎn)生于能量轉(zhuǎn)換過程時在穩(wěn)壓器中的功率損耗。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。這種發(fā)熱等于減少電池使用壽命，反過來又會影響手機的可靠性。
由于電源轉(zhuǎn)換過程中會發(fā)熱，因此業(yè)內(nèi)已有新的驅(qū)動力來重新思考穩(wěn)壓器類型的選擇。制造商現(xiàn)在更多地采用開關(guān)穩(wěn)壓器來取代雖然簡單、但轉(zhuǎn)換效率較低的線性低壓差（LDO）穩(wěn)壓器，因為開關(guān)穩(wěn)壓器具有較高的工作效率。
表1  LDO與開關(guān)穩(wěn)壓器的比較
特性
LDO穩(wěn)壓器
無電感器型開關(guān)穩(wěn)壓器
傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓器
設計復雜性
低
中
中至高
成本
低
中
中
噪聲
最低
低
低至中
效率
低至中
中至高
高
熱管理
差至中
良
最佳
輸出電流
中
低
高
是否需要磁性器件
否
否
是
限制
不能升壓
VIN/VOUT 比
布局考慮
表1列出了可滿足手機電源轉(zhuǎn)換要求的幾種不同類型的電壓穩(wěn)壓器的一些優(yōu)點和缺點。這有三種選擇：線性低壓差穩(wěn)壓器、無電感型開關(guān)穩(wěn)壓器（亦稱為充電泵）以及傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓器(基于電感器) 。
線性低壓差穩(wěn)壓器被認為是一種最簡單的穩(wěn)壓器，它只能將輸入電壓轉(zhuǎn)換成較低的電壓，其最大的缺點是在熱管理方面，因為其轉(zhuǎn)換效率近似等于輸出電壓除以輸入電壓。例如，從單節(jié)鋰離子電池標稱的3.6V電壓上提供1.8V/200mA的輸出來驅(qū)動圖像處理器的LDO，其轉(zhuǎn)換效率僅為50%，故將在手機中產(chǎn)生熱點并因此而減少電池工作時間。
開關(guān)穩(wěn)壓器可避開所有線性穩(wěn)壓器的效率缺點，通過低阻抗開關(guān)及一個磁性存儲組件可提供高達96%的轉(zhuǎn)換效率，故可極大地減少轉(zhuǎn)換過程中的功率損失。通過在較高的開關(guān)頻率（譬如大于2MHz）工作，可極大地減少外部電感器及電容器的尺寸。開關(guān)穩(wěn)壓器的缺點不嚴重，通常能以良好的設計技術(shù)來克服。
噪聲干擾
線性穩(wěn)壓器與傳統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)壓器之間的折衷是充電泵。采用充電泵時，外部儲能組件是電容器而不是電感。不用電感器可減少任何可能對敏感的射頻電路或藍牙芯片組所造成的電磁干擾，但它亦具有輸入與輸出電壓之比及限制的輸出電流能力之缺點。
防止噪聲干擾的傳統(tǒng)方法是讓噪聲產(chǎn)生電路遠離噪聲敏感電路。但在最先進的3G手機中，所有部件都如此密集以至于不存在這種可能性。且由于成本及尺寸原因，采取屏蔽措施又不現(xiàn)實。采用開關(guān)穩(wěn)壓器的其中一個代價是有可能產(chǎn)生諧波噪聲。
但已成功使用的一項技術(shù)是使DC/DC轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)時鐘偽隨機抖動。這種方法及其所實現(xiàn)的擴展頻譜運作使開關(guān)頻率受一個偽隨機數(shù)（PRN）序列調(diào)制，以減少窄帶諧波。這其實是將噪聲 "分散" 到整個頻率范圍上，而不是只集中在分別的諧波上。由于擴頻噪聲的峰值幅度要低許多，故可極大地降低干擾。盡管這種方法在過去已成功地用分立組件實現(xiàn)，但工藝改進現(xiàn)已允許將擴頻技術(shù)包含到 "更新的" DC/DC轉(zhuǎn)換器中，從而可節(jié)省極大的空間。
采用擴展頻譜技術(shù)的單IC低噪聲方法
為了更好地了解在芯片上如何實現(xiàn)擴頻工作，參見圖2所示框圖。圖2的雙相開關(guān)電容器充電泵被用來將輸入電壓降至一個已穩(wěn)壓的輸出。調(diào)整是通過一個外部電阻分壓器來檢測輸出電壓，并根據(jù)誤差信號來調(diào)制充電泵輸出電流而完成。雙相非重疊時鐘激勵兩個充電泵，兩個充電泵異相并行工作。在時鐘第一相位上，電流從VIN通過外部浮動電容器1至經(jīng)過充電泵1的開關(guān)流向VOUT。在第一相位不僅為VOUT提供電流，而且也向浮動電容器充電。在時鐘第二相位，浮動電容器1從VOUT連至地，并在時鐘第一相位期間通過充電泵1的開關(guān)將儲存電荷傳向VOUT。充電泵2以同樣的方式工作，但時鐘相位相反。這種雙相位架構(gòu)通過從VIN至VOUT的恒定電荷轉(zhuǎn)移來獲得極低的輸出和輸入噪聲。

圖2  無電感器型擴頻DC/DC轉(zhuǎn)換器簡化方框圖
利用這種開關(guān)方法，僅有一半的輸出電流是從VIN提供，因此與傳統(tǒng)低壓差穩(wěn)壓器相比，效率可提高50%。根據(jù)一個變化的偽隨機數(shù)來以周期接周期地調(diào)制振蕩器頻率可實現(xiàn)擴頻工作。只需對工作頻率進行幾個百分比的調(diào)制即可顯著降低峰值及諧波噪聲。
在芯片上實現(xiàn)擴頻工作的一款I(lǐng)C是由凌特提供的LTC3251。LTC3251是一款輸出電流達500mA的高效、低噪聲及無電感器型降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。LTC3251的擴頻振蕩器被設計成可產(chǎn)生頻率介于1MHz與1.6MHz之間而周期為隨機變化的時鐘脈沖，這擁有將開關(guān)噪聲分散到整個頻率范圍上的好處。LTC3251的典型應用電路如圖3a所示。圖3b及3c為圖3a所示LTC3251（VIN = 3.6V、VOUT = 1.5V和IOUT = 500mA）的輸入及輸出噪聲頻譜。由于采用擴頻工作，故只需用一半的輸出電容即可極大地減少峰值輸出噪聲（> 20dBm），而且實際上僅需用十分之一的輸入電容即可消除輸入諧波。擴頻技術(shù)專門用于 "連續(xù)" 工作模式及輸出電流大于50mA的突發(fā)模式。

圖3a  LTC3251降壓型轉(zhuǎn)換器

圖3b  具10(F輸出電容器（IO = 500mA）的LTC3251輸出噪聲頻譜

圖3c  具1(F輸入電容器（IO = 500mA）的LTC3251輸入噪聲頻譜
拍照及流送視頻：
很多3G手機都能拍照甚至流送視頻，但當消費者開始接受在其手機中擁有這些內(nèi)置相機時，他們卻要求擁有質(zhì)量更高的攝影能力。改進過的圖像傳感器及光學系統(tǒng)很容易利用，但高質(zhì)量的 "閃光" 照明卻要求給予特別關(guān)注。閃光燈對于獲得良好的攝影性能是非常關(guān)鍵，因此當準備在尺寸很小且結(jié)構(gòu)緊湊的3G手機上實現(xiàn)時必須進行仔細考慮。
兩百萬像素相機手機上內(nèi)置閃光燈的尺寸及性能是系統(tǒng)設計師需考慮的兩個關(guān)鍵因素。已有兩種實用的閃光照明選擇：白光LED及閃光燈，表2給出了LED與閃光燈的性能比較。除其它優(yōu)點外，LED還具有可連續(xù)工作能力及低密度支持電路的優(yōu)勢。
表2  采用LED及閃光燈照明的性能特性
性能類別
閃光燈
LED
光輸出
高。通常比LED高400倍。
低。甚至都難以發(fā)光。
亮度與時間的關(guān)系
脈沖。適合拍攝清晰、靜止照片
連續(xù)。適合視頻。
色溫
5500(K至6000(K
8500(K。藍光要求進行色彩校正。
尺寸
電路尺寸：27mm x 6mm x 5mm
電路尺寸：7mm x 7mm x 5mm
支持電路復雜性
中等
低
充電時間
1至5 秒
無
工作電壓與電流
千伏觸發(fā)、300V閃光，充電電流100-300mA。
每個LED連續(xù)的典型值為3.4V至4.2V/300mA，峰值為100mA。
電池功耗
電池每充電一次可閃200 至 800 次。
每個LED 約120mW (連續(xù))；每個LED 約400mW  (脈沖)
但閃光燈擁有一些特別重要的高質(zhì)量攝影特性。其線源光輸出是點源LED的數(shù)百倍，故可在寬范圍內(nèi)獲得密集且容易發(fā)散的光線。此外，5500(K至6000(K的閃光燈色溫與自然光非常接近，可消除白光LED在藍光峰值輸出時所需的色彩校正。
 大多數(shù)設計師都希望擁有氙閃光燈的性能特征，但他們必須保證其電路尺寸及復雜性不會反過來影響其實際實現(xiàn)。為更好地了解與此任務有關(guān)的設計困難，人們必須仔細考慮閃光燈實物尺寸及其進行安全與正確工作所需的支持電路。
閃光燈通常是一個充滿氙氣的圓柱形玻璃外殼，其陽極與陰極都直接與氙氣接觸，而沿燈外表面分布的觸發(fā)電極則不與氙氣接觸。氣體擊穿電位在數(shù)千伏范圍，一旦發(fā)生擊穿，燈阻抗即會低于1(，而流過擊穿氣體的高電流即會產(chǎn)生強烈的可見光。
閃光燈由觸發(fā)電路及可產(chǎn)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。一開始電容器不能放電，因為燈處于高阻抗。但當觸發(fā)電路接到命令后即會給燈施加數(shù)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，第二限制是充電電路對閃光電容器充分充電所需的時間。但根據(jù)目前的可用輸入功率、電容值及充電器電路特性可達1至5秒之間的充電時間。
一個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(zhuǎn)換器。當其 "充電" 控制線為高電位時，穩(wěn)壓器同步內(nèi)部功率開關(guān)，使升壓變壓器產(chǎn)生高壓脈沖，然后這些脈沖再被整流和濾波，即產(chǎn)生300V的直流輸出，其轉(zhuǎn)換效率高達80%。
凌特提供一種可滿足以上所有技術(shù)及性能要求的完整閃光燈電路。此外，該解決方案還利用LT3468-1（一種采用SOT-23封裝的照相閃光電容器充電器）來提供適合3G手機所需的緊湊外形。

圖4  包括電容器充電組件、閃光電容器、觸發(fā)器、驅(qū)動器及閃光燈在內(nèi)的完整閃光燈電路
請看圖4左上方的電容器充電電路，增加一個肖特基二極管D2來安全箝位T1引起的反向瞬態(tài)電壓。升壓變壓器T2則產(chǎn)生高壓觸發(fā)脈沖。假設C1被完全充電，則當Q1-Q2使Q3導通后，C2將電流儲存進T2主端。然后T2副端再將高壓觸發(fā)脈沖提供給閃光燈，使其電離并導電。C1通過燈放電并發(fā)光。整個電路占位面積小于400mm2且高度不超過6mm (包括閃光燈在內(nèi))。
給電池充電
事實上所有3G手機都在將鋰離子電池作為其主要電源，但由于散熱及空間有限，故必須仔細考慮應選用何種類型的電池充電器，以及需要有哪些特性才能對電池進行安全及精確的充電。
消除 " 熱點" 但仍能快速充電及保持非常小的設計。線性鋰離子電池充電器的一個明顯趨勢是繼續(xù)減少封裝尺寸，但不太明顯的趨勢是在充電周期（尤其在高電流）用來冷卻IC所需的空間或通風。充電器功耗可提高IC的結(jié)溫，而這種溫度的升高再加上環(huán)境溫度可達到足夠高的水平，使IC過熱并降低電路可靠性。此外，如果過熱，很多充電器會停止充電周期，且只有當結(jié)溫下降后才恢復工作。如果高溫條件繼續(xù)存在，則這種 "停止和開始" 的循環(huán)往復也將繼續(xù)發(fā)生，從而延長充電時間。為減少這些風險，用戶只能選擇通過減少充電電流來延長充電時間或增加多些板面積來散熱，從而由于增加PCB散熱面積及熱保護材料而增加整個系統(tǒng)成本。
對此問題有兩種解決方案。首先，需要一種智能型線性鋰離子電池充電器，這種充電器不必為擔心散熱而犧牲PCB面積、并采用一種可監(jiān)視其自身結(jié)溫以防止過熱的小型熱增強型封裝。如果達到預置溫度門限，充電器能自動減少充電電流來限制功耗，從而使芯片溫度保持在一個安全水平。第二種解決方案是采用一種即使充電電流很高也幾乎不發(fā)熱的充電器，這要求使用脈沖充電器，它是一種完全不同于線性充電器的技術(shù)。脈沖充電器依靠經(jīng)過良好穩(wěn)壓及電流受限的墻接式適配器來充電。
解決方案一 ：采用LTC4059A 2mm x 2mm線性電池充電器
LTC4059A是一款無需使用三個分立功率組件的單節(jié)鋰離子電池線性充電器，可快速充電而不用擔心系統(tǒng)過熱；監(jiān)視電路則負責報告充電電流值，并指示充電器何時與輸入電源連接。它采用在可能情況下最小的封裝但并沒有犧牲散熱性能。整個方案僅需兩個分立組件（輸入電容器及一個充電電流編程電阻），而占位面積僅為2.5mm x 2.7mm。
LTC4059A的2mm x 2mm DFN封裝只有SOT-23封裝一半的占位面積，并能提供大約60(C/W更低的熱阻，以提高散熱效率。通過適當?shù)腜CB布局及散熱設計，LTC4059A可從5V輸入上以高達900mA的電流對單節(jié)鋰離子電池安全充電。此外，設計時還不需考慮最壞情況下的功率耗散，因為LTC4059A采用了專利的熱管理技術(shù)，可在如環(huán)境溫度過高的高功率條件下自動減少充電電流。
解決方案二 ：帶過電流保護功能的LTC4052脈沖充電器
LTC4052是一款用于單節(jié)4.2V鋰離子/鋰聚合物電池充電的單片、全集成脈沖充電器。LTC4052的功耗大約為280mW，并能從5.25V輸入上以0.8A電流快速充電，而線性充電器解決方案的功耗則高達1.8W。不像以電感器來獲得高效率及低散熱的開關(guān)充電器，LTC4052采用無電感器型設計。利用LTC4052設計的700mA至2A鋰離子/鋰聚合物電池充電電路僅占70mm_ 的面積 ，且高度低于1.7mm。通過將功耗減至最低水平，LTC4052可放寬對終端設備的熱設計要求，因此可采用更小的封裝、更低的散熱氣流及更小的PCB面積，且能消除熱點以及對散熱片及風扇的需要。

圖5  LTC4052脈沖充電器電路圖
LTC4052要求用一個電流受限的墻接式適配器來控制充電電流值。它還配備有過流保護以便在偶然使用較高電流或故障墻接式適配器時能提供保護。LTC4052為一款全集成脈沖充電器，無需使用外部MOSFET或隔離二極管 (如圖5所示)。這是一款帶集成C/10檢測、充電狀態(tài)指示、充電結(jié)束定時器、墻接式適配器檢測及過流保護的獨立充電器IC。LTC4052可在4.5V至12V輸入源上工作，并具有1% 飄移電壓精度。

結(jié)語
隨著在3G手機中的特性不斷增加，凌特繼續(xù)推出各種創(chuàng)新的IC，使這些手機不僅能保持其當前的外形尺寸，而且還不用犧牲性能、可靠性及電池使用壽命。