智能电话电源管理系统的重要设计技术

新的3.xg智能电话将传统的2g蜂窝式电话功能与pda的功能特色结合起来，并包容了数码相机、音乐播放器(mp3)以及全球定位系统。种类如此之多的功能，离不开为数众多的元器件。它们中的大多数有着不同的电源电压要求，而且消耗的电流越来越多，要求更大的功耗。
同时，消费者希望电话越来越小。本文将给出两种电源管理系统，它们将有助于系统设计者在最新一代蜂窝式电话的相互矛盾的目标间寻求恰当的平衡——功耗要求不断上升；外形应尽可能地小；效率要最优化以延长电池工作时间；电源轨噪声/纹波要保持在可接受的范围之内。图1示出从2g话音电话发展到3g视频电话时对功耗需求的增加幅度的估计。
电池的选择
设计一个电源管理系统的首要任务之一，是选择一个可重新充电的电池。目前，唯一的两种现实的选择是nimh和锂离子电池。锂离子电池的能量密度单位体积和重量(典型值为270~300 wh/l和110~130 wh/kg)一般高于nimh(220~300 wh/l和75~100 wh/kg)。因此，如果储能相同，锂离子电池尺寸将更小，而重量也小于同级的nimh电池。此外，锂离子电池的3.6v工作电压亦高于nimh的1.2v。
蜂窝电话的大部分功率消耗在1.2v和3.3v电压轨上。在提高开关变换器的效率方面，从一个较高的电压降压、获得较低的电压，相应的效率要高于从较低的电压轨变换为高压的情况。因而锂离子电池是最佳的选择。
图1 功耗分析
图2智能电话的电源框图
图3 功率放大器的效率
电池的管理
可充电电池的管理对于延长电池寿命来说极为关键。电池管理包括3个部分：充电管理、电池监测和电池保护。充电管理ic已经获得了巨大的发展，从带外部无源元件的线性控制器进化为更有效的、基于开关模式、集成了开关的控制器。电池充电器必须承受500ma~1500ma范围内的电流，以实现快速的再充电。电池监测和保护ic一般与电池封装在一起。电池监测ic可以简单到采用“库仑计数器”的形式(在这种情况下，必须由cpu来计算余下的电池寿命)，也可以采取带集成微控制器的电量计的形式，它可以提供剩余容量、距电力耗尽剩余的时间、电压、温度和平均电流等方面的测量信息，并通过一个简单的通信接口与dsp/cpu实现直接的通信。
电源的结构
设计者必须确定功率ic的种类—带集成fet、基于电感的开关式变换器、无电感的开关式变换器(或者电荷泵)亦或线性的稳压器。
就效率而言，基于电感的开关式器件具有最高的总体效率，接下来分别是电荷泵和线性稳压器。成本通常与效率成反比，线性调压器是最便宜的，电荷泵其次，而基于电感的开关电源最贵。线性稳压器没有输出纹波，而电荷泵存在一定的输出纹波，开关器件的输出纹波则是三者中最高的。就解决方案的总尺寸而言，线性稳压器是最小的，一般只需一个输入和一个输出电容。电荷泵除了输入和输出电容外，还需要附加一个或两个“飞线”电容。开关电容则需要一个电感，其大小与封装尺寸有关。
在2g电话中，数字器件(如dsp和adc)或模拟器件(如功率管理系统)的集成化程度很低。设计电源管理系统时，系统的设计者一般优先考虑成本和尺寸，然后才是效率。由于线性稳压器只能降低其输入电压，故电池在其电压跌落到3.3v以后就不能工作了。过去，一般选用低到中等电流的线性稳压器来将电池的电压变换为2.8v~3.0v范围内的电源轨。
在3.xg电话芯片组中，基带处理器如今包括一个dsp、一个微处理器/控制器、控制rf的adc和dac，以及音频信号处理电路。处理器的核心电压降到了1.2v，甚至更低，而i/o和外设的电压则降到了2.5v~3.0v的范围之内。由于3.x g电话电源轨的电流要求一般高于2g电话，故3.xg 设计者需要效率超出线性稳压器的dc/dc转换器，以保证更长的电池寿命。
为了进一步延长电池的寿命，很多设计者需要让锂离子电池电压降到2.7v最终电压。在这种实现方案中，一个3.3v的轨电压的产生是一大挑战。如果设计者将电池的可用范围扩展到2.7v，而采用正向降压－升压或者sepic变换器来提供所需的3.3v电压轨，那么，似乎很有可能会大大延长电池的工作时间。但对一个600mah电池的分析(见表1)却表明，这并不成立。利用sepic型变换器来充分挖掘电池的容量，而不是在3.3v处停止电池的使用并采用效率更高的升压变换器，那么，即使能延长一点电池的使用时间，延长的量也很短。
此外，考虑到双电感sepic变换器的成本将会更高，采用高效率的开关式降压变换器提供3.3v的电压轨，也是一种有效的、可能更有吸引力的选择。因此，下面给出的分立的解决方案将采用降压变换器来提供3.3v电压轨，而集成化的解决方案将采用sepic 变换器来提供3.3v电压。
系统概况
智能电话中的不同部件有着不同的电源要求。图2示出了蜂窝电话中主要组成部分的电源需求。例如，rf部分的vco和pll需要噪声极低的电源电压和很高的电源抑制能力，以确保最好的发射和接收性能。所以，虽然效率很低，线性稳压器仍是其电源的最佳选择，因为它没有输出纹波。
让dc/dc变换器的开关频率及其2次和3次谐波处于if频带之外也很重要。由于dsp/cpu核心电压已经降低到了1v，高效率的基于电感的开关型降压电源就变得有意义了。用于屏幕背光照明的led可以通过一个电荷泵或者基于电感的降压/升压变换器来供电。
动态电压调节
图1表明，在功耗中所占比例最大的部分是rf(主要是发射机部分的pa，即功率放大器)和基带部分的处理器。pa消耗的功率与电话和基站间的距离有关，所占总功率的比例可以从通话时的75％变化到待机模式时的30%。较早的采用非线性pa的gsm电话的发射机，其典型的效率约为50％。而较新的标准，如wcdma，则同时需要幅值和相位调制，此时，只有效率为25%~35%的线性pa才能提供如此的功能。此外，通常的cdma2000 1x电话的基带处理器负载的要求在60~120ma范围内。因此，设法保证pa和处理器的电源效率，就显得极为关键。
与在大规模集成电路中所用的技术相似，动态/自适应电压调节(dvs/avs)可以将处理器与稳压器连接成一个闭合回路系统，它可以将数字电源的电压调整到正常工作所需的最低水平。pa是按照在最大发射功率下保证最高的效率来优化的。由于大多数手机是在距离基站较近的位置处工作的，故手机的无线rf部分将发射功率降低到维持通话品质所需的最低功率水平上。功率水平较低时，pa的效率变差。
图3 表明，通过采用动态电压调节和调整功率放大器的电压，可以将效率提高10%~20%。
由于数字处理器消耗的功率与电压的平方成正比，故动态电压调节技术也可以应用于cpu。在处于待机或者某些其他功能减弱的模式时，cpu可以在更低的频率下工作，于是电压可以降低到相应较低的功耗水平上，从而实现更高的效率和更长的电池寿命。举例来说，考虑一个由tps62200降压变换器驱动的、电源为3.6v/1ahr的锂离子电池的omap1510芯片，其特性如下：
深度休眠 (tps62200 in pfm)
无dvs时: vout=1.5v@300ma
效率= 93%
深度休眠 (tps62200 in pfm)
带dvs时，vout=1.1v@250ma
效率=93%
苏醒状态(tps62200 in pwm): vout=1.5v@100ma
效率=96%
假如使用的模式是5％的“苏醒”和95％的“深度休眠”，输出功率与时间的关系表明，深度休眠状态下dvs的采用，使电池的寿命延长了9小时。
分立的解决方案
图4示出一种基于分立ic、电池电压限为3.3v的电源管理系统。在本方案中，以100％占空比工作的降压变换器使得电压快跌落到3.3v以下的锂离子电池也能提供3.3v的i/o轨。功率放大器和cpu电源电压轨的动态电压调节技术通过提高每一种元件的效率而降低了功耗。
集成化的解决方案
最新的工艺技术大大方便了现有的基于分立ic的设计的集成、快速修改和/或利用，以提供不同层次的集成化ic。例如，现在已经开始提供的有：通用型双重开关变换器ic和双重高psrr、低噪声线性稳压器，专用白光led电源，蜂窝电话、pda和数码相机多轨电源管理系统解决方案。图5所示的集成解决方案中，面向最终设备的电源ic带有集成的外设。在本解决方案中，3.3v i/o轨由一个sepic变换器提供，它可以让锂离子电池供电电压降到最低的水平(约2.7v)。与分立式的解决方案相同的是，稳压器提供的电压轨从3.3v获得，以提高效率。pa和cpu电源轨的动态电压调节有助于通过每一部件效率的提高来降低功耗。
分立还是集成?
一般说来，集成化的ic比多个额定指标相同的ic要便宜。此外，集成化的ic占用的电路板面积要少于执行相同功能的分立ic设计。集成的ic还可以包括原来由分立ic提供的电源轨、振动和led驱动的顺序控制等一些功能。
过去，集成化的ic高度专用化，没有很大的灵活性。因此，它们不能满足设计循环的后期阶段出现的较大改动。然而，新的制造工艺技术，包括为了输出电压轨编程控制和封装后修调而集成的e2prom，使得对现有ic(如固定的输出电压不同)的“仔细调整”变得更加容易、快速和便宜。另一方面，一个集成化的ic通常没有第二个供应源，这也使得人们不得不采用分立的解决方案。
图4 采用分立的ic实现的电源管理系统
图5集成化的解决方案
集成的优势
上述的电源解决方案采用了集成化程度不同的电源ic。将模拟电源ic的一部分或者全部与数字部件(像基带处理器)集成起来，将带来更大的pcb空间节约和总体成本的降低。过去，阻碍更高层次上的数字和模拟部件的集成因素，是复杂的电子系统的每一部分各不相同的要求。数字基带部分需要高密度的处理能力以实现数字信号处理，而模拟基带和电源部分需要采用电压更高的器件。rf部分(具体说来是pll)需要采用针对高频工作而进行了优化的bicmos器件。
过去，数字电路的设计者负责工艺的开发，仅仅追求高密度的工艺，故需要大电压的器件只能在不同的工艺中实现，这样便需要独立制作数字ic。近来，半导体制造商们不但已经开发出单一化的、采用了更细栅长(以实现高密度和高速度)的bicmos工艺，而且还能实现承受更高电压的、针对更多模拟和电源应用的器件。最终，很多数字和模拟功能，包括电源管理、都将集成到单块芯片上。
未来的挑战
如今的消费者需要功能更丰富、充电工作时间更长的智能电话。新开发的ic 制造工艺能保证更低的漏电流和更小的电阻。这就意味者fet的静态电流和导通电阻更低，最终，这会带来效率更高的电源ic。
不过，与不断变化的半导体技术不同，电池技术还没有进步到不增大尺寸就可以实现更长寿命的程度。
最近，电容器开发方面的进展正在让可充电电池和电容之间的界线变得模糊起来。高能超级电容目前正用于在插拔电池时驱动便携式装置。高能量、大功率的超电容可以在很短时间内提供很大的电流，因此，可以用来代替电池发出能量脉冲。这些超电容在静态下逐步完成充电，已经集成到电池组中。
有人也在谈论燃料电池，不过，目前一次性使用的料罐还没有标准化。此外，燃料电池的瞬态输出响应较差。至少在初期，燃料电池只能作为一种电池的补充手段而非电池的替代品引入市场。
不过以更低的工作电压实现更高的功能，一般也需要更多的容限要求，而且需要低噪声电路设计。例如，在1.2v电压轨下保证±3%的容限，就需要让输出的变换不要超过±36mv，而在3.3v电压轨下，保证±3%的容限则意味着电压的变化可以为±99mv 。因此，对于容限更小、电流更大、效率更高、emi极低而封装很小的dc/dc变换器的需求在未来几年内将出现上升。
结语
不同水平的ic集成正在简化便携式电源电子产品的设计。具体来说，便携式电子产品的系统设计者们无需担心其装置的电源管理问题。集成化程度不同的电源管理将帮助他们最大限度提高电池工作时间，而占用的电路板面积最小，成本最低。