蜂窩電話的電源管理器IC及其新技術(shù)應(yīng)用的最佳選擇

多功能的新一代蜂窩電話巳在國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)廣泛使用。新一代手機(jī)不僅尺寸小巧，而且集成了更多的功能，如PDA功能，收／發(fā)電子郵件，短信服務(wù)，以及在大尺寸、色彩豐富的顯示器上瀏覽互聯(lián)網(wǎng)信。有些手機(jī)型號(hào)還包含了調(diào)頻（FM）收音機(jī)、MP3播放器、甚至分辨率較高的數(shù)碼相機(jī)等。 無(wú)論其功能如何，對(duì)消費(fèi)者而言，總是期望在手機(jī)不增加尺寸的情況下提供持久的電池壽命。即在一個(gè)更狹小的機(jī)匣之中既能具有更多功能同時(shí)又只消耗更少功率。這樣給電源管理設(shè)計(jì)提出了極為苛刻的要求。

為了應(yīng)對(duì)桃戰(zhàn)，制造商必須解決以下新課題：
1、堅(jiān)持開(kāi)發(fā)出更小巧、更高性能的電源方案——電源管理器IC（PMIC）；
2、在電源管理器IC（PMIC）的基礎(chǔ)上進(jìn)一步深化、拓寬新潮技術(shù)和器件的應(yīng)用，以完 成新型手機(jī)的配套的最佳選擇。而本文將就如何選擇新型電源管理器IC與其所發(fā)展的新技術(shù)及白光LED應(yīng)用方案作分析介紹。

電源管理器IC（PMIC）如何配置

選擇集成度適中的PMIC 在大多數(shù)無(wú)線手機(jī)均有心臟部分——電源管理器IC（PMIC）。其PMIC主要承擔(dān)供電的任務(wù)和其他一些單元功能，如接口或音頻。目前，占在市場(chǎng)占主導(dǎo)地位的一些模擬半導(dǎo)體廠商能提供PMIC的定制和半定制的標(biāo)準(zhǔn)器件，這些器件通常是采用針對(duì)混合信號(hào)和電源產(chǎn)品優(yōu)化的5V亞微米的Bi（雙極）CMOS工藝，而手機(jī)中任何尚未集成化的其它功能也都試圖擬集成到PMIC內(nèi)。對(duì)此，建議還是采用一些較為適中的方案，如圖1所示MAX1502標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品電源管理管IC（PMIC），只集成了那些能支持CDMA芯片組所要求的通用模塊。

基于以下因素，某些特定單元不應(yīng)被集成：
1、該單元如果采用其他不同的工藝設(shè)計(jì)會(huì)更省錢(qián)或更??；
2、該單元可能會(huì)因技術(shù)的發(fā)展或客戶要求的變化在不同的設(shè)計(jì)版本中發(fā)生變化；
3、該單元可能在不同的平臺(tái)上不通用；
4、該單元可能會(huì)給研發(fā)進(jìn)度帶來(lái)過(guò)分的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)／風(fēng)險(xiǎn)；
5、該單元可能會(huì)因性能的原因（例如噪聲耦合）不適合被集成。

無(wú)疑，集成盡可能多的功能單元到PMIC中，其目的就是為了節(jié)省成本和尺寸，尤其是當(dāng)這種集成方案被大批量的手機(jī)普遍接受時(shí)。風(fēng)險(xiǎn)可以通過(guò)隨著設(shè)計(jì)的改進(jìn)及逐步提高集成度而得以控制。 關(guān)于PMIC及其低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO）的發(fā)展 蜂窩電話內(nèi)部一般會(huì)用到5至12個(gè)獨(dú)立的低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO1、LDO2…LDO12可見(jiàn)圖1所示），LDO的數(shù)量如此之多并不代表終端內(nèi)部存在同樣多數(shù)量的電壓規(guī)格，而是由于LDO還被當(dāng)作具有一定電源抑制比（PSRR）的on／off（開(kāi)關(guān)）來(lái)阻止噪聲耦合。大多數(shù)LDO集成在PMIC內(nèi)部，但仍有個(gè)別分離的LDO被保留下來(lái)，主要是慮到：PCB板的布局／布線；一些特殊元件（如壓控振蕩器）對(duì)噪聲過(guò)于敏感；或者用來(lái)驅(qū)動(dòng)一些非標(biāo)單元，如集成數(shù)碼相機(jī)等。 多年以來(lái)，SOT23封裝的150MA LDO是這些離散電源的最佳選擇。目前，—些最新面世的IC采用新型封裝與新型亞微米處理工藝及先進(jìn)的設(shè)計(jì)方案，能夠以更小的尺寸提供更高的性能?，F(xiàn)在可以由SOT23獲得單個(gè)300MA的LDO，SOT23封裝的兩路150MA LDO或微型SC70封裝的單個(gè)120MA LDO，兼有標(biāo)準(zhǔn)版和超低噪聲（10uVrms-電壓平均有效值、85dB PSRR）版器件。此外，更為先進(jìn)的晶片級(jí)封裝（UCSP）提供了最大可能的細(xì)小尺寸，而QFN封裝則允許在3MMx3MM面積的塑料封裝中裝入最大的晶片尺寸，同時(shí)又提供更高的熱傳導(dǎo)能力。因此，QFN封裝可實(shí)現(xiàn)更高電流的LDO和每個(gè)封裝具更多數(shù)量的LDO。其中可包含3個(gè)、4個(gè)甚至5個(gè)LDO，這就縮小了分離式方案和PMIC之間的差異。

新型降壓型（buck）轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的出現(xiàn)
 
用于處理器核的降壓型（buck）轉(zhuǎn)換器 LDO具有簡(jiǎn)單、小尺寸等特點(diǎn)，其主要缺陷是效率較低，特別是為低壓電路供電時(shí)效率問(wèn)題更加突出。由于在新一代蜂窩電話內(nèi)部集成了PDA功能或互聯(lián)網(wǎng)功能，要求處理器的數(shù)據(jù)處理能力、運(yùn)算能力更加強(qiáng)大，為了降低功耗則處理器的核電壓就應(yīng)不斷降低，從1.8V降到了0.9V。為了降低電池?fù)p耗，應(yīng)采用高效的降壓型轉(zhuǎn)換器為處理器核供電。為此，在設(shè)計(jì)中需要考慮的主要因素有:低成本、小尺寸、高效率、低靜態(tài)（待機(jī)）電流和快速瞬態(tài)響應(yīng)。為解決上述問(wèn)題不僅需要豐富的模擬設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，還需要一定的獨(dú)創(chuàng)能力。就目前來(lái)說(shuō)，只有少數(shù)幾家領(lǐng)先的模擬半導(dǎo)體制造商能夠提供合適的SOT23封裝和具有1MHz以上開(kāi)關(guān)頻事及允許選用微型外部電感、電容元件的降壓型轉(zhuǎn)換器。 為RF功率放大器供電的降壓型（buck）轉(zhuǎn)換器 在比較成熟的蜂窩電話市場(chǎng)，buck轉(zhuǎn)換器還被用于驅(qū)動(dòng)CDMA射頻功率放大器（PA）之中，它會(huì)隨著終端與基站之間距離的改變，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功放的VCC電源電壓?？紤]了發(fā)送概率密度函數(shù)后，buck轉(zhuǎn)換器平均可節(jié)省40MA到65mA的電池電流。具體節(jié)省電流的數(shù)量取決于輸出電壓的級(jí)數(shù)、PA的特性、以及是在城區(qū)還是郊區(qū)發(fā)送語(yǔ)音或數(shù)據(jù)，基于國(guó)際上少數(shù)國(guó)家的成功經(jīng)驗(yàn)和一些先進(jìn)的WCDMA廠商的先期工作，當(dāng)今韓國(guó)、美國(guó)和其他一些歐洲的蜂窩電話廠商現(xiàn)已開(kāi)始利用這種降壓型（buck）轉(zhuǎn)換器或稱開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器（如MAX1820芯片）進(jìn)行測(cè)試或設(shè)計(jì)。要求這種buck轉(zhuǎn)換器具有非常小的尺寸、低成本、低輸出紋波和高效率等特點(diǎn)，而SOT23封裝型轉(zhuǎn)換器再次成為優(yōu)選方案。為保持盡可能低的壓降，通常采用一個(gè)分離的低導(dǎo)通電阻Rds（on）P溝道MOSFET，而其在高發(fā)送功率時(shí)直接由電池驅(qū)動(dòng)PA。為了進(jìn)一步減小總體尺寸，最新的降壓轉(zhuǎn)換器（如MAX8500系列）集成了這個(gè)附加的FET（MOS場(chǎng)效應(yīng)功率管）。

應(yīng)用白色LED是新潮流方案

直接選用高集成度的分離方案的選用 目前，由于近期LED技術(shù)的發(fā)展已產(chǎn)生了一種能夠發(fā)出白光的LED。白光LED與傳統(tǒng)的背光源相比具有小尺寸、低成本、復(fù)雜度低、等許多優(yōu)勢(shì)。為此在帶有彩色顯示屏的無(wú)線手機(jī)中，特別是白色LED因其電路簡(jiǎn)單和非常高的可靠性現(xiàn)已成為背光源應(yīng)用中的主流，其效率高于鹵素?zé)?。新一代蜂窩電話一般使用3或4只白色LED在主顯示屏中，2只白色LED在副顯示屏中（折疊式設(shè)計(jì)），還有6只或更多白色或彩色LED在鍵盤(pán)的背面。如果集成有相機(jī)的話，還至少需要4只白色LED用于閃光燈／頻閃和MPEG影像照明。這樣，在一個(gè)手機(jī)內(nèi)總共用到了16只LED，它們?nèi)慷夹枰懔黩?qū)動(dòng)。

由于數(shù)年前，第一代彩顯手機(jī)采用的是效率較低的1.5倍壓電荷泵和鎮(zhèn)流電阻，通常這樣利用BUCK轉(zhuǎn)換器驅(qū)動(dòng)PA所省下的40MA電流被白白浪費(fèi)了。如今。大多數(shù)設(shè)計(jì)中采用基于電感的升壓轉(zhuǎn)換器來(lái)獲得更高的轉(zhuǎn)換效率。而新推出的1倍／1.5倍壓電荷泵可以獲得同樣高的效率，而且省去了外部電感，只是與白色LED連接時(shí)需要許多引線。由于LED電源的市場(chǎng)非常大，為此，許多性能價(jià)格比高的IC被設(shè)計(jì)出來(lái)用于此目的，但設(shè)計(jì)中需要考慮的因素包括：高效率與小尺寸外部元件；低輸入紋波（防止噪聲耦合到其它電路）；簡(jiǎn)單的調(diào)光接口以及其他一些有利于降低成本或增加可靠性的特性，例如輸出過(guò)壓保護(hù)。 現(xiàn)在一些PMIC包括一個(gè)白色LED電源，但通常不能驅(qū)動(dòng)多個(gè)顯示器或相機(jī)的頻閃，而且可能存在效率低或開(kāi)關(guān)速度過(guò)慢的問(wèn)題。為此，必須要采用大尺寸的電感和電容，這樣的后果是會(huì)帶來(lái)很大輸入紋波。

那如何解決？ 據(jù)此，在設(shè)計(jì)中常常采用一個(gè)分離的IC與PMIC配合工作或直接選用高集成度的分離方案。值此介紹的是高集成度的分離方案，見(jiàn)圖2所示:即用高效率的升壓轉(zhuǎn)換器MAXl582所產(chǎn)的電源電壓，來(lái)照亮手機(jī)主顯示器（6只色LED）、輔助顯示器（2只色LED）和鍵盤(pán)（3只色LED）的白色LED設(shè)計(jì)新方案圖。其輸入電壓為2.6v-5.5v，由于白色LED正向電壓的典型值約為3.5V±l0%則輸出電壓Vout1應(yīng)大于11v，輸出電壓Vout2應(yīng)大于7v。這樣解決了白色LED背光是手機(jī)中用電大戶之一的難題。其L為22uH微型外部電感。
    
緊湊的無(wú)電感升壓電路MAX1759-調(diào)節(jié)白光的偏置電流

白光LED正向電壓的典型值約為3.5V±l0%，只需為器件提供正向偏置即可得到白色光。當(dāng)白色光LED正向電壓高于電池電壓時(shí)需要升壓電路，傳統(tǒng)的解決方案是利用升壓電路、通過(guò)鎮(zhèn)流電阻為L(zhǎng)ED提供偏置，這種方案存在兩個(gè)缺陷：首先，白光LED較寬的正向電壓變化范圍會(huì)造成較大的偏置電流變化、導(dǎo)致亮度偏差；其次，傳統(tǒng)的升壓方案在輸入與輸出之間有一條直流通路（即使在關(guān)斷狀態(tài)），使不工作的LED不必要地消耗電池電流。 為克服上述弊端，而采用新型無(wú)電感升壓電路MAX1759（即穩(wěn)壓型升／降壓電荷泵），是一種結(jié)構(gòu)緊湊的解決方案，見(jiàn)圖3所示電路。穩(wěn)壓型升／降壓電荷泵采用小尺寸（uMAX）封裝，可提供100mA輸出電流。按照?qǐng)D3中配置，可直接為白光LED提供穩(wěn)定的偏置電流，為多個(gè)并聯(lián)LED提供偏置時(shí)具有較好的亮度分布。MAX1759電路在關(guān)斷狀態(tài)下輸入與輸出之間沒(méi)有直流通路，用戶能夠利用SHDN控制白色LED背光的通、斷。該電路還帶有一個(gè)“電源正常”（POK）輸出，告知微處理器白色LED背光是否己準(zhǔn)備好。而圖3所示的輸入C1R1C2“∏”型濾波器可將反射到輸入端的電壓VIN紋波限制到僅40mVp-p（當(dāng)Vin=3.6V時(shí)）。 由于輸出電壓Vout紋波不影響視覺(jué)效果，在本應(yīng)用中被放在次要位置考慮，允許選用一個(gè)小的輸出容C3（0.22uF），即使這樣，輸出紋波也只有400mVp-p。

電池充電

幾乎所有手機(jī)都用簡(jiǎn)單的線性充電器為3節(jié)NiMH電池或1節(jié)鋰電池充電，很多情況下該充電器被集成到PMIC內(nèi)。不過(guò)，為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，檢流電阻和調(diào)整管還是在外部。

為了保證熱耗散在容許范圍內(nèi)有許多措施可以選擇： 1、以C/4或更慢的速率充電； 2、讓墻上適配器具有一定的阻性，使大部分電壓降落在它上面； 3、選用脈沖充電方式和阻流型墻上適配器； 4、利用反饋調(diào)節(jié)墻上適配器使調(diào)整管上的壓差保持恒定； 5、增加一個(gè)恒定熱量控制環(huán)路，通過(guò)節(jié)制充電電流來(lái)保持恒定的晶片溫度，這種方式只有在調(diào)整管置于PMIC內(nèi)部時(shí)才可以用。

值得指出的是雖然分離式充電IC具有很多靈活性，但在峰窩電話中這種優(yōu)勢(shì)大打折扣因?yàn)榧墒匠潆娖骱苋菀淄ㄟ^(guò)PMIC的串行接口重新編程設(shè)置，使其適應(yīng)不同的電池化學(xué)類型或容量。

應(yīng)該說(shuō)隨著蜂窩電話型號(hào)與功能的增多，其對(duì)PMIC的要求也越來(lái)越高，面臨這新桃戰(zhàn)、新課題，制造商與設(shè)計(jì)人員當(dāng)務(wù)之急是應(yīng)開(kāi)發(fā)出符合新發(fā)錄展要求的PMIC及其新技術(shù)。從以上分析可以看出，無(wú)論是集成度高的PMIC型或降壓、升壓轉(zhuǎn)換器，還是分成離式與IC相配合及白色LED等多種形式及新技術(shù)，其共同的特征是體積小、低成本、高效率。