- 智能手機電源系統概述
- 智能手機電源系統設計
- 根據需要選擇不同類型電池
- 以不同器件為基礎的電源拓撲
- 使用不同整合程度的電源組件
早期的行動電話不是體積笨重龐大,就是必須受到汽車電池的束縛,但經過長時間的發展,今天的行動電話已變得非常輕巧,除了電話功能,它們還會做許多事。新型3.xG智能型手機把傳統的2G行動電話和多種其它功能結合在一起,包括PDA、數字相機、音樂播放機（MP3）以及全球定位系統（GPS）。如此多元的功能需要許多零件,其中絕大多數的電源電壓并不相同,電流需求則不斷增加,使得它們需要更多電力。(圖一)是從2G語音電話升級到3G視訊電話后,功率需求增加的估計值。
圖一功耗值
在此同時,消費者卻想要更精巧的手機。本文介紹兩種電源管理系統,它們可以協助智能型手機設計人員在彼此沖突的目標間取得平衡,例如將封裝減至最小,同時支持更大的功率需求;實現最佳效率,讓電池提供最長的使用時間;以及將電源噪聲和漣波降至可接受水平,以支持新世代的行動電話。
選擇電池
選擇充電電池是電源管理系統設計的首要工作之一,鎳氫電池和鋰離子電池則是目前僅有的兩種實際選擇。鋰離子電池的單位體積蓄電量為270～300Wh/l,單位重量蓄電量為110～130Wh/kg,都高于鎳氫電池的220～300Wh/l以及75～100Wh/kg,因此在同樣蓄電量下,鋰離子電池的體積和重量都小于鎳氫電池;另外,鋰離子電池的3.6V工作電壓也高于鎳氫電池的1.2V。
行動電話的多數功耗都來自于1.2V和3.3V電源,要讓交換式電源轉換器發揮最大工作效率,較有效的方法通常是從高電壓轉換至低電壓,而不是從低電壓轉換至高電壓,因此鋰離子電池是最佳選擇。
要讓充電電池提供最長使用時間,適當的電池管理和控制就顯得格外重要。電池管理包含三個部份：充電控制、電池監視和電池保護。從使用外接導通組件的線性控制器開始,到內建開關組件且效率更高的交換式控制器,充電控制組件已有長足進步。電池充電器必須處理500mA到1500mA范圍內的電流,以便提供快速的充電周期時間。
電池監視和保護組件通常都與電池封裝在一起,電池監視組件可以是簡單的「電荷計量器」（coulombcounter）,由中央處理器負責計算電池剩余電力;也可以是內建微控制器的電池電力量測組件（gasgauge）,由它透過DSP與處理器之間的簡單界面,直接提供剩余電力、剩余供電時間、電池電壓、溫度和平均電流量測值等資料。
電源拓樸
接著,設計工程師必須決定電源轉換組件的種類,它或許是以電感為基礎、并且內建FET開關的交換式電源轉換器、無電感的交換式電源轉換器（電荷泵浦）或是線性穩壓器。這些轉換器各有其優點。就效率而言,以電感為基礎的轉換器擁有最高的整體效率,其次是電荷泵浦,最后才是線性穩壓器。成本通常反比于效率,因此線性穩壓器成本最低,然后是電荷泵浦,最后則是以電感為基礎的轉換器。
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線性穩壓器沒有輸出漣波,電荷泵浦有一些輸出漣波,交換式穩壓器的輸出漣波則在三者之間最高。就整個解決方案的體積來看,線性穩壓器的體積最小,通常只需輸入和輸出電容,電荷泵浦除了輸入和輸出電容外,還需一顆或兩顆「飛馳」（flying）電容,交換式穩壓器則需要電感器,因此其封裝體積會有很大差異。
無論DSP或模擬數字轉換器等數字零件,或是電源管理系統等模擬零件,2G電話幾乎不提供任何的功能整合,系統設計人員在發展電源管理系統時,通常會以成本和體積為優先考慮,而不是轉換效率。線性穩壓器只能將輸入電壓轉換成更低的輸出電壓,因此電池電壓必須高于3.3V,此時可利用低電流或中電流的線性穩壓器進行電壓轉換,以便提供電力給至2.8V范圍內的其它電源需求。
在3G芯片組中,基頻處理器現已包含DSP、微處理器／微控制器、模擬數字轉換器和數字模擬轉換器,用來控制射頻訊號和音頻訊號處理。這顆處理器的核心電壓已降至1.2V或是更低,I/O和外圍電壓也開始減少至2.5V至3.0V范圍;由于3.xG電話的電流需求通常都超過2.G電話,3.xG設計人員需要效率高于線性穩壓器的直流電源轉換器,以便提供更長的電池使用時間。為進一步延長電池壽命,許多設計人員必須盡量利用鋰離子電池電力,直到其電壓降至最小值為止;在此過程中,如何產生3.3V電壓就變成一項挑戰。
從表面上來看,設計人員若能繼續使用電池直到2.7V,并利用正電源降壓—升壓轉換器或是SEPIC轉換器提供3.3V電源,可攜式裝置的電池壽命就會大幅延長,但是根據(表一)針對600mAh電池所做的簡單分析可發現情形并非如此,因為無論是采用效率更高的降壓轉換器,并將電池使用到3.3V,或是采用SEPIC之類的轉換器,并將電池電力完全用盡,這兩種方式的供電時間幾乎沒有任何區別。
表一60mAh電池分析
除此之外,無論是使用兩顆電感的SEPIC轉換器,或是某些效率更高的新型正電源降壓—升壓轉換器,它們的成本都更高,因此在做整體評估時,只使用3.3V以上的電池電力,然后利用高效率交換式電源轉換器提供3.3V電源的方法不但更有效率,還可能是更具吸引力的選擇。以下介紹的離散解決方案就是使用降壓轉換器提供3.3V電源,整合式解決方案則采用SEPIC轉換器。
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系統概述
不同的智能型手機零件有著不同的電源需求,(圖二)是行動電話中需要電源的主要零件簡單方塊圖,例如射頻單元的壓控振蕩器（VCO）以及鎖相回路（PLL）就需要極低噪聲和很高電源拒斥比的電源,確保它們提供最高的傳送和接收效能,因此雖然線性穩壓器的效率不高,但由于它沒有輸出漣波,所以是這類電源供應的最佳選擇;同樣重要的是將直流轉換器的開關頻率,還有它們的二階和三階諧波,都保持在中頻頻帶之外。
由于DSP和中央處理器的核心電壓已降至1V左右,以電感為基礎的高效率交換式降壓轉換器是理想選擇。至于屏幕背光照明所使用的白光二極管,其電源可來自電荷泵浦或電感式升壓／降壓轉換器。
圖二智能型手機電源方塊圖
動態電壓調整（DynamicVoltageScaling）
從圖一可看出,電源需求最高的兩顆零件是在射頻單元,分別是發射機的功率放大器和基頻處理器。隨著電話與基地臺之間的距離不同,功率放大器在通話過程中最多消耗75％的總功耗,待命模式則只有30％。采用非線性功率放大器的舊型GSM電話發射機的典型工作效率約為50％,但是WCDMA等較新標準卻同時需要振幅及相位調變,這只有工作效率在25％至35％之間的線性放大器可以提供。
除此之外,CDMA20001x手機的正常基頻處理器負載需求是在60至120mA范圍,因此提供最有效率的電源給功率放大器和處理器就顯得極為重要。
動態／可適性電壓調整技術（DVS/AVS）與高整合度組件所使用的方式很類似,它會把閉回路系統中的處理器和穩壓器連結在一起,并在確保系統正常工作的情形下,將數字電源供應的輸出電壓動態調整至最小值。功率放大器會被最佳化,使它在最大傳送功率下擁有最高效率。由于絕大多數手機都在基地臺附近工作,手機的無線電功能會在維持通訊質量的前題下,將傳送功率降至最低水平。當功率放大器在較低的功率水平下工作時,它的效率會受到影響,從(圖三)可以看出,利用動態電壓調整技術來調整功率放大器的電壓,它的工作效率會增加10％至20％。
圖三功率放大器效率
數字處理器的功耗正比于電壓平方,因此中央處理器也能采用動態電壓調整技術;當中央處理器進入待命模式或其它功能精簡模式,它就能在較低的頻率頻率下工作,此時可將處理器電壓降低,以便減少功耗,提升工作效率,延長電池壽命。
就以OMAP1510為例,假設它的電源是由TPS62200供應,并使用1安培小時的3.6V鋰離子電池輸入,其它特性包括：
●睡眠模式（TPS62200采用PFM調變）未用動態電壓調整：Vout=1.5V@300µA;效率=93％
●正常工作模式（TPS62200采用PWM調變）：Vout=1.5V@100mA;效率=96％
假設此組件95％時間處于睡眠模式,5％時間處于正常工作模式,則從輸出功率與時間的關系圖可看出,將動態電壓調整技術用于睡眠模式,電池壽命會最多延長9個小時。
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離散解決方案
(圖四)是利用離散組件實作的電源管理系統,電池電壓限制為3.3V。
圖四利用離散組件實作的電源管理系統
在這個解決方案中,就算鋰離子電池下降至3.3V左右,在100％負載周期模式下工作的高效率TPS62200降壓轉換器仍能提供3.3V的I/O電壓。上述所有零件都采用SOT-23封裝,除了bq24020電池充電組件、TPS61020升壓轉換器以及TPS61042白光二極管驅動組件之外,它們是采用3×3平方厘米的QFN封裝。TPS61040和TPS61042還內建上端FET晶體管,每顆組件只需要一個外接二極管。bq24020、TPS622xx、TPS61020和線性穩壓器組件全都內建FET晶體管,功率放大器和中央處理器電源采用的動態電壓調整技術可以提高每顆零件的效率,進而協助降低功耗。
整合解決方案
最新制程技術使得工程師更容易結合、迅速修改以及／或是利用現有的離散組件設計,以便提供不同整合程度的半導體芯片,例如通用的雙通道交換式轉換器和電源拒斥比很高而噪聲很低的雙信道線性穩壓器、特殊應用白光二極管的電源供應以及行動電話、PDA和數字相機的多電源管理解決方案,這些產品都已開始供應。專門支持終端設備的電源組件則會內建各種外圍,其范圍從行動電話的響鈴器和蜂鳴器到PDA的通用I/O接腳,例如圖四整合解決方案所使用的TPS65010就是這類組件。
圖五整合式解決方案
在此解決方案中,3.3VI/O電源是由SEPIC轉換器提供,它讓應用系統能充份利用鋰離子電池電力,直到電池電壓降至最低水平（大約2.7V）。和離散解決方案一樣,穩壓器輸出也來自3.3V輸入電源,以便提高工作效率。TPS65010采用48只接腳QFN封裝,這些組件都內建FET晶體管。TPS61130SEPIC轉換器采用4×4平方厘米QFN封裝,并且內建FET晶體管,最高達到90％以上效率,TPS5100則是三通道輸出控制器,專門用來提供電源給顯示器。功率放大器和中央處理器電源使用的動態電壓調整技術可以改善每顆零件的效率,進而協助降低功耗。
離散或整合？
如何在離散或整合解決方案之間做出抉擇？一般說來,整合組件的成本會低于同樣等級的多顆離散零件;除此之外,如同(圖六)的電路板布局所示,相較于執行同樣功能的多顆離散零件,TPS65010以及與其搭配的被動零件只需較少的電路板空間,這主要是因為離散零件之間需要額外空間來容納訊號線路。由于TPS65010還包含原來由離散零件提供的其它功能,例如電源供應順序、振動器和二極管驅動組件,因此整合解決方案可以節省更多電路板面積。
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圖六TPS65010與同等級離散解決方案的電路板布比較
整合組件過去主要支持特殊應用,彈性也不是很高,因此在設計流程后期,它們就無法再進行重大的設計變更。然而新的制程技術,包括支持可程序輸出電壓以及封裝后調整的整合式EEPROM,卻使得工程師能以更低成本,更簡單快速的對現有組件（也就是不同固定輸出電壓的組件）重復進行簡單修改。另一方面,整合組件的供貨商通常只有一家,這可能迫使廠商必須采用離散解決方案。
未來挑戰
消費者想要操作時間更長的智能型手機,新發展的半導體制程技術已能減少泄漏電流和阻抗（有時透過銅覆蓋層）,使得FET晶體管的靜態電流更低,導通阻抗也變得更小。然而不同于持續進步中的半導體技術,電池技術卻沒有任何重大進展,無法在不增加電池體積的情形下延長供電時間。
電容器技術的某些進展使得充電電池和電容器之間的界限日益模糊,許多可攜式產品已開始使用高能量超級電容器（supercapacitor）,做為消費者更換電池時的暫時電力來源;另外,高能量暨高功率的超高電容器（ultracapacitor）還能在短時間內提供很大電流,讓電池不必瞬間供應龐大電力,可以延長電池的使用時間。這些超高電容器會整合至電池封裝內,并在系統電力需求不太高時,利用微小電流充電。
燃料電池近來是熱門話題,但由于外形包裝尚未標準化,使得燃料電池的廣泛應用受到影響,商業化過程也不太順利。燃料電池的輸出瞬時響應也很糟糕,因此至少在最初階段燃料電池只會做為普通電池的補強裝置,無法取代普通電池。
消費者還希望產品的體積更小,功能更加強大,創新的電源管理組件設計以及封裝和制程技術的進步都能幫助實現此目標。日益精密的制程技術可以制造出越來越小的FET晶體管,讓晶粒和封裝的體積更小,工作電壓更低,閘極電容更少,使得晶體管的開關速度更快
—對于以電感為基礎的交換式電源供應,更快的開關速度意味著更小的電感。新封裝技術則能在更小的封裝中容納更多功能,并且承受更大的功耗,例如內建FET開關的鋰離子電池線性充電組件bq24010就采用3×3平方厘米的QFN封裝,它在普通室溫環境下,最高能承受1.5W功耗。
要在較低的工作電壓下提供更強大功能,電源管理單元和低噪聲布局的容忍要求通常也會變的更嚴格,例如系統若要求1.2V電源的誤差小于±3%,就表示輸出電壓變動幅度不能超過±36mV;相形之下,使用3.3V電源就表示在同樣的±3%誤差限制下,它能容忍的電壓變動高達±99mV。由于電源電壓不斷降低,未來幾年內對于誤差更小、電流更大、效率更高和電磁干擾極低的直流電源轉換器的需求將會增加。除此之外,隨著封裝縮小,可供散熱的面積也會減少,讓這些高功耗組件的熱管理繼續成為困難挑戰。
整合的力量
本文介紹的電源解決方案使用不同整合程度的電源組件。把部份或全部的模擬電源組件和基頻處理器等數字零件整合在一起會帶來許多優點,包括節省更多的電路板面積,并且降低總成本。復雜電子系統的每個部份都有著不同的需求,這是過去實現更高階數字和模擬零件整合的障礙之一,例如數字基頻單元需要高密度制程以支持數字訊號處理,模擬基頻和電源功能需要電壓更高的組件;射頻單元,特別是鎖相回路,則需要最適合支持高頻操作的BiCMOS組件。
傳統上,制程發展是由數字設計人員負責管理,他們通常只會推動高密度制程發展,電路若需要高電壓組件,就必須采用不同制程,這表示他們需要獨立的數字組件。半導體廠商不但開始發展「最小閘極長度」更短的BiCMOS制程,以便提供很高的組件密度和工作速度,還有更高電壓的汲極延伸型組件（drainextendeddevices）,它們已用于更多的模擬和電源應用。包括電源管理在內的許多模擬和數字功能最后都會整合成單顆芯片。
不同程度的組件整合正在簡化可攜式電源設計,尤其是可攜式產品的系統設計人員,他們不必再擔心組件的電源需求管理,整合程度不同的電源管理組件可以幫助他們讓電池提供最長供電時間,同時將電路板面積和成本減至最少。
