智能型手机电源管理系统的设计
早期的行动电话不是体积笨重庞大，就是必须受到汽车电池的束缚，但经过长时间的发展，今天的行动电话已变得非常轻巧，除了电话功能，它们还会做许多事。新型3.xG智能型手机把传统的2G行动电话和多种其它功能结合在一起，包括PDA、数字相机、音乐播放机（MP3）以及全球定位系统（GPS）。如此多元的功能需要许多零件，其中绝大多数的电源电压并不相同，电流需求则不断增加，使得它们需要更多电力。(图一)是从2G语音电话升级到3G视讯电话后，功率需求增加的估计值。
图一 功耗值
在此同时，消费者却想要更精巧的手机。本文介绍两种电源管理系统，它们可以协助智能型手机设计人员在彼此冲突的目标间取得平衡，例如将封装减至最小，同时支持更大的功率需求；实现最佳效率，让电池提供最长的使用时间；以及将电源噪声和涟波降至可接受水平，以支持新世代的行动电话。
选择电池
选择充电电池是电源管理系统设计的首要工作之一，镍氢电池和锂离子电池则是目前仅有的两种实际选择。锂离子电池的单位体积蓄电量为270～300Wh/l，单位重量蓄电量为110～130Wh/kg，都高于镍氢电池的220～300Wh/l以及75～100Wh/kg，因此在同样蓄电量下，锂离子电池的体积和重量都小于镍氢电池；另外，锂离子电池的3.6V工作电压也高于镍氢电池的1.2V。行动电话的多数功耗都来自于1.2V和3.3V电源，要让交换式电源转换器发挥最大工作效率，较有效的方法通常是从高电压转换至低电压，而不是从低电压转换至高电压，因此锂离子电池是最佳选择。
要让充电电池提供最长使用时间，适当的电池管理和控制就显得格外重要。电池管理包含三个部份：充电控制、电池监视和电池保护。从使用外接导通组件的线性控制器开始，到内建开关组件且效率更高的交换式控制器，充电控制组件已有长足进步。电池充电器必须处理500mA到1500mA范围内的电流，以便提供快速的充电周期时间。电池监视和保护组件通常都与电池封装在一起，电池监视组件可以是简
单的「电荷计量器」（coulomb counter），由中央处理器负责计算电池剩余电力；也可以是内建微控制器的电池电力量测组件（gas gauge），由它透过DSP与处理器之间的简单界面，直接提供剩余电力、剩余供电时间、电池电压、温度和平均电流量测值等资料。
电源拓朴
接着，设计工程师必须决定电源转换组件的种类，它或许是以电感为基础、并且内建FET开关的交换式电源转换器、无电感的交换式电源转换器（电荷泵浦）或是线性稳压器。这些转换器各有其优点。就效率而言，以电感为基础的转换器拥有最高的整体效率，其次是电荷泵浦，最后才是线性稳压器。成本通常反比于效率，因此线性稳压器成本最低，然后是电荷泵浦，最后则是以电感为基础的转换器。线性稳压器没有输出涟波，电荷泵浦有一些输出涟波，交换式稳压器的输出涟波则在三者之间最高。就整个解决方案的体积来看，线性稳压器的体积最小，通常只需输入和输出电容，电荷泵浦除了输入和输出电容外，还需一颗或两颗「飞驰」（flying）电容，交换式稳压器则需要电感器，因此其封装体积会有很大差异。
无论DSP或模拟数字转换器等数字零件，或是电源管理系统等模拟零件，2G电话几乎不提供任何的功能整合，系统设计人员在发展电源管理系统时，通常会以成本和体积为优先考虑，而不是转换效率。线性稳压器只能将输入电压转换成更低的输出电压，因此电池电压必须高于3.3V，此时可利用低电流或中
电流的线性稳压器进行电压转换，以便提供电力给3.0V至2.8V范围内的其它电源需求。在3G芯片组中，基频处理器现已包含DSP、微处理器／微控制器、模拟数字转换器和数字模拟转换器，用来控制射频讯号和音频讯号处理。这颗处理器的核心电压已降至1.2V或是更低，I/O和外围电压也开始减少至2.5V至3.0V 范围；由于3.xG电话的电流需求通常都超过2.G电话，3.xG设计人员需要效率高于线性稳压器的直流电源转换器，以便提供更长的电池使用时间。
为进一步延长电池寿命，许多设计人员必须尽量利用锂离子电池电力，直到其电压降至2.7V最小值为止；在此过程中，如何产生3.3V电压就变成一项挑战。从表面上来看，设计人员若能继续使用电池直到2.7V，并利用正电源降压—升压转换器或是SEPIC转换器提供3.3V电源，可携式装置的电池寿命就会大幅延长，但是根据(表一)针对600mAh电池所做的简单分析可发现情形并非如此，因为无论是采用效率更高的降压转换器，并将电池使用到3.3V，或是采用SEPIC之类的转换器，并将电池电力完全用尽，这两种方式的供电时间几乎没有任何区别。
线性降压SEPIC
78% 60mAh
93%
60mAh
86%
60mAh
VBAT = 4.2 - 3.6 V的平均效率
电池寿命的前10% (600mAh ´10%)
小计46.8 mAh 55.8 mAh 51.6 mAh
91% 480mAh
96%
480mAh
86%
480mAh
VBAT = 3.6 - 3.3 V的平均效率
电池寿命的80% (600 mAh ´80%)
小计436.8 mAh 460.8 mAh 412.8 mAh
0 60mAh
60mAh
86%最重要的决定mp3
60mAh
VBAT = 3.3 - 2.7 V的平均效率
电池寿命的后10% (600 mAh ´10%)
小计0 0 51.6 mAh
483.6 mAh 516.6 mAh 516 mAh
总寿命周期
% 寿命周期80.6 mAh 86.1 mAh 86 mAh
表一 60mAh 电池分析
除此之外，无论是使用两颗电感的SEPIC转换器，或是某些效率更高的新型正电源降压—升压转换器，它们的成本都更高，因此在做整体评估时，只使用3.3V以上的电池电力，然后利用高效率交换式电源转换器提供3.3V电源的方法不但更有效率，还可能是更具吸引
力的选择。以下介绍的离散解决方案就是使用降压转换器提供3.3V电源，整合式解决方案则采用SEPIC转换器。
系统概述
不同的智能型手机零件有着不同的电源需求，(图二)是行动电话中需要电源的主要零件简单方块图，例如射频单元的压控振荡器（VCO）以及锁相回路（PLL）就需要极低噪声和很高电源拒斥比的电源，确保它们提供最高的传送和接收效能，因此虽然线性稳压器的效率不高，但由于它没有输出涟波，所以是这类电源供应的最佳选择；同样重要的是将直流转换器的开关频率，还有它们的二阶和三阶谐波，都保持在中频频带之外。由于DSP和中央处理器的核心电压已降至1V左右，以电感为基础的高效率交换式降压转换器是理想选择。至于屏幕背光照明所使用的白光二极管，其电源可来自电荷泵浦或电感式升压／降压转换器。
图二 智能型手机电源方块图
动态电压调整（Dynamic Voltage Scaling）
从图一可看出，电源需求最高的两颗零件是在射频单元，分别是发射机的功率放大器和基频处理器。随着电话与基地台之间的距离不同，功率放大器在通话过程中最多消耗75％的总功耗，待命模式则只有30％。采用非线性功率放大器的旧型GSM电话发射机的典型工作效率约为50％，但是WCDMA等较新标准却同时需要振幅及相位调变，这只有工作效率在25％至35％之间的线性放大器可以提供。除此之外，CDMA2000 1x手机的正常基频处理器负载需求是在60至120mA范围，因此提供最有效率的电源给功率放大器和处理器就显得极为重要。
动态／可适性电压调整技术（DVS/AVS）与高整合度组件所使用的方式很类似，它会把闭回路系统中的处理器和稳压器连结在一起，并在确保系统正常工作的情形下，将数字电源供应的输出电压动态调整至最小值。功率放大器会被最佳化，使它在最大传送功率下拥有最高效率。由于绝大多数手机都在基地台附近工作，手机的无线电功能会在维持通讯质量的前题下，将传送功率降至最低水平。当功率放大器在较低的功率水平下工作时，它的效率会受到影响，从(图三)可以看出，利用动态电压调整技术来调整功率放大器的电压，它的工作效率会增加10％至20％。
图三 功率放大器效率
数字处理器的功耗正比于电压平方，因此中央处理器也能采用动态电压调整技术；当中央处理器进入
待命模式或其它功能精简模式，它就能在较低的频率频率下工作，此时可将处理器电压降低，以便减少功耗，提升工作效率，延长电池寿命。就以OMAP1510为例，假设它的电源是由TPS62200供应，并使用1安培小时的3.6V锂离子电池输入，其它特性包括：
●睡眠模式（TPS62200采用PFM调变）未用动态电压调整：Vout = 1.5 V @ 300 µA；效率= 93％●正常工作模式（TPS62200采用PWM调变）：Vout = 1.5 V @ 100 mA；效率 = 96％
假设此组件95％时间处于睡眠模式，5％时间处于正常工作模式，则从输出功率与时间的关系图可看出，将动态电压调整技术用于睡眠模式，电池寿命会最多延长9个小时。
离散解决方案
(图四)是利用离散组件实作的电源管理系统，电池电压限制为3.3V。
图四 利用离散组件实作的电源管理系统
在这个解决方案中，就算锂离子电池下降至3.3V左右，在100％负载周期模式下工作的高效率TPS62200降压转换器仍能提供3.3V的I/O电压。上述所有零件都采用SOT-23封装，除了bq24020电池充电组件、TPS61020升压转换器以及TPS61042白光二极管驱动组件之外，它们是采用3×3平方厘米的QFN封装。TPS61040和TPS61042还内建上端FET晶体管，每颗组件只需要一个外接二极管。bq24020、TPS622xx、TPS61020和线性稳压器组件全都内建FET晶体管，功率放大器和中央处理器电源采用的动态电压调整技术可以提高每颗零件的效率，进而协助降低功耗。
整合解决方案
最新制程技术使得工程师更容易结合、迅速修改以及／或是利用现有的离散组件设计，以便提供不同整合程度的半导体芯片，例如通用的双通道交换式转换器和电源拒斥比很高而噪声很低的双信道线性稳压器、特殊应用白光二极管的电源供应以及行动电话、PDA和数字相机的多电源管理解决方案，这些产品都已开始供应。专门支持终端设备的电源组件则会内建各种外围，其范围从行动电话的响铃器和蜂鸣器到PDA的通用I/O接脚，例如图四整合解决方案所使用的TPS65010就是这类组件。
图五 整合式解决方案
在此解决方案中，3.3V I/O电源是由SEPIC转换器提供，它让应用系统能充份利用锂离子电池电力，直到电池电压降至最低水平（大约2.7V）。和离散解决方案一样，稳压器输出也来自3.3V输入电源，以便提高工作效率。TPS65010采用48只接脚QFN封装，这些组件都内建FET晶体管。TPS61130 SEPIC转换器采用4×4平方厘米QFN封装，并且内建FET晶体管，最高达到90％以上效率，TPS5100则是三通道
输出控制器，专门用来提供电源给显示器。功率放大器和中央处理器电源使用的动态电压调整技术可以改善每颗零件的效率，进而协助降低功耗。
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