3G手机中的电源管理趋势

引言
2004年全球将生产5.5亿部手机，而且它们现在拥有的功能已超过只是让人们互相通话。今天最先进的3G手机具有web浏览、无线收发电子邮件、拍照以及甚至流送视频等多种功能。这些手机制造商正处日益增加的压力，以将上述功能合并到一个尺寸不断减少的外壳中，并同时提供更长的工作时间。

图1 最先进3G手机的方框图
从图1所示的方框图中，我们容易看出日益增加的特性如何驱动对可变功率电平上更低输出电压的需求。其中一个很好的例子是用于图像处理的应用处理器，它在视频捕捉期间需要高达360mW的功率。在全负载工作时，手机内部系统负载需要超过4W的峰值功率是很普遍的情况，而这样的功耗会很快耗尽电池的能量。但影响电池工作时间的另一重要因素是电源效率及系统电源管理。

问题及考虑
不良的电源转换效率可导致器件发热，这种发热是产生于能量转换过程时在稳压器中的功率损耗。但手机中没有用于冷却的风扇或散热片，而只有密集封装的印制电路板。因此没有任何通道可让热量散出。这种发热等于减少电池使用寿命，反过来又会影响手机的可靠性。
由于电源转换过程中会发热，因此业内已有新的驱动力来重新思考稳压器类型的选择。制造商现在更多地采用开关稳压器来取代虽然简单、但转换效率较低的线性低压差（LDO）稳压器，因为开关稳压器具有较高的工作效率。
表1 LDO与开关稳压器的比较
特性
LDO稳压器
无电感器型开关稳压器
传统的开关稳压器
设计复杂性
低
中
中至高
成本
低
中
中
噪声
最低
低
低至中
效率
低至中
中至高
高
热管理
差至中
良
最佳
输出电流
中
低
高
是否需要磁性器件
否
否
是
限制
不能升压
VIN/VOUT 比
布局考虑
表1列出了可满足手机电源转换要求的几种不同类型的电压稳压器的一些优点和缺点。这有三种选择：线性低压差稳压器、无电感型开关稳压器（亦称为充电泵）以及传统的开关稳压器(基于电感器) 。
线性低压差稳压器被认为是一种最简单的稳压器，它只能将输入电压转换成较低的电压，其最大的缺点是在热管理方面，因为其转换效率近似等于输出电压除以输入电压。例如，从单节锂离子电池标称的3.6V电压上提供1.8V/200mA的输出来驱动图像处理器的LDO，其转换效率仅为50%，故将在手机中产生热点并因此而减少电池工作时间。
开关稳压器可避开所有线性稳压器的效率缺点，通过低阻抗开关及一个磁性存储组件可提供高达96%的转换效率，故可极大地减少转换过程中的功率损失。通过在较高的开关频率（譬如大于2MHz）工作，可极大地减少外部电感器及电容器的尺寸。开关稳压器的缺点不严重，通常能以良好的设计技术来克服。
噪声干扰
线性稳压器与传统开关稳压器之间的折衷是充电泵。采用充电泵时，外部储能组件是电容器而不是电感。不用电感器可减少任何可能对敏感的射频电路或蓝牙芯片组所造成的电磁干扰，但它亦具有输入与输出电压之比及限制的输出电流能力之缺点。
防止噪声干扰的传统方法是让噪声产生电路远离噪声敏感电路。但在最先进的3G手机中，所有部件都如此密集以至于不存在这种可能性。且由于成本及尺寸原因，采取屏蔽措施又不现实。采用开关稳压器的其中一个代价是有可能产生谐波噪声。
但已成功使用的一项技术是使DC/DC转换器的系统时钟伪随机抖动。这种方法及其所实现的扩展频谱运作使开关频率受一个伪随机数（PRN）序列调制，以减少窄带谐波。这其实是将噪声 "分散" 到整个频率范围上，而不是只集中在分别的谐波上。由于扩频噪声的峰值幅度要低许多，故可极大地降低干扰。尽管这种方法在过去已成功地用分立组件实现，但工艺改进现已允许将扩频技术包含到 "更新的" DC/DC转换器中，从而可节省极大的空间。
采用扩展频谱技术的单IC低噪声方法
为了更好地了解在芯片上如何实现扩频工作，参见图2所示框图。图2的双相开关电容器充电泵被用来将输入电压降至一个已稳压的输出。调整是通过一个外部电阻分压器来检测输出电压，并根据误差信号来调制充电泵输出电流而完成。双相非重叠时钟激励两个充电泵，两个充电泵异相并行工作。在时钟第一相位上，电流从VIN通过外部浮动电容器1至经过充电泵1的开关流向VOUT。在第一相位不仅为VOUT提供电流，而且也向浮动电容器充电。在时钟第二相位，浮动电容器1从VOUT连至地，并在时钟第一相位期间通过充电泵1的开关将储存电荷传向VOUT。充电泵2以同样的方式工作，但时钟相位相反。这种双相位架构通过从VIN至VOUT的恒定电荷转移来获得极低的输出和输入噪声。

图2 无电感器型扩频DC/DC转换器简化方框图
利用这种开关方法，仅有一半的输出电流是从VIN提供，因此与传统低压差稳压器相比，效率可提高50%。根据一个变化的伪随机数来以周期接周期地调制振荡器频率可实现扩频工作。只需对工作频率进行几个百分比的调制即可显着降低峰值及谐波噪声。
在芯片上实现扩频工作的一款IC是由凌特提供的LTC3251。LTC3251是一款输出电流达500mA的高效、低噪声及无电感器型降压DC/DC转换器。LTC3251的扩频振荡器被设计成可产生频率介于1MHz与1.6MHz之间而周期为随机变化的时钟脉冲，这拥有将开关噪声分散到整个频率范围上的好处。LTC3251的典型应用电路如图3a所示。图3b及3c为图3a所示LTC3251（VIN = 3.6V、VOUT = 1.5V和IOUT = 500mA）的输入及输出噪声频谱。由于采用扩频工作，故只需用一半的输出电容即可极大地减少峰值输出噪声（> 20dBm），而且实际上仅需用十分之一的输入电容即可消除输入谐波。扩频技术专门用于 "连续" 工作模式及输出电流大于50mA的突发模式。

图3a LTC3251降压型转换器

图3b 具10(F输出电容器（IO = 500mA）的LTC3251输出噪声频谱

图3c 具1(F输入电容器（IO = 500mA）的LTC3251输入噪声频谱
拍照及流送视频：
很多3G手机都能拍照甚至流送视频，但当消费者开始接受在其手机中拥有这些内置相机时，他们却要求拥有质量更高的摄影能力。改进过的图像传感器及光学系统很容易利用，但高质量的 "闪光" 照明却要求给予特别关注。闪光灯对于获得良好的摄影性能是非常关键，因此当准备在尺寸很小且结构紧凑的3G手机上实现时必须进行仔细考虑。
两百万像素相机手机上内置闪光灯的尺寸及性能是系统设计师需考虑的两个关键因素。已有两种实用的闪光照明选择：白光LED及闪光灯，表2给出了LED与闪光灯的性能比较。除其它优点外，LED还具有可连续工作能力及低密度支持电路的优势。
表2 采用LED及闪光灯照明的性能特性
性能类别
闪光灯
LED
光输出
高。通常比LED高400倍。
低。甚至都难以发光。
亮度与时间的关系
脉冲。适合拍摄清晰、静止照片
连续。适合视频。
色温
5500(K至6000(K
8500(K。蓝光要求进行色彩校正。
尺寸
电路尺寸：27mm x 6mm x 5mm
电路尺寸：7mm x 7mm x 5mm
支持电路复杂性
中等
低
充电时间
1至5 秒
无
工作电压与电流
千伏触发、300V闪光，充电电流100-300mA。
每个LED连续的典型值为3.4V至4.2V/300mA，峰值为100mA。
电池功耗
电池每充电一次可闪200 至 800 次。
每个LED 约120mW (连续)；每个LED 约400mW (脉冲)
但闪光灯拥有一些特别重要的高质量摄影特性。其线源光输出是点源LED的数百倍，故可在宽范围内获得密集且容易发散的光线。此外，5500(K至6000(K的闪光灯色温与自然光非常接近，可消除白光LED在蓝光峰值输出时所需的色彩校正。
大多数设计师都希望拥有氙闪光灯的性能特征，但他们必须保证其电路尺寸及复杂性不会反过来影响其实际实现。为更好地了解与此任务有关的设计困难，人们必须仔细考虑闪光灯实物尺寸及其进行安全与正确工作所需的支持电路。
闪光灯通常是一个充满氙气的圆柱形玻璃外壳，其阳极与阴极都直接与氙气接触，而沿灯外表面分布的触发电极则不与氙气接触。气体击穿电位在数千伏范围，一旦发生击穿，灯阻抗即会低于1(，而流过击穿气体的高电流即会产生强烈的可见光。
闪光灯由触发电路及可产生高瞬态电流的储能电容控制。工作时，闪光电容器一般被充电至300V。一开始电容器不能放电，因为灯处于高阻抗。但当触发电路接到命令后即会给灯施加数千伏的高压，于是灯被击穿，从而使电容器放电。对闪光重复率的主要限制是灯能否安全散热，第二限制是充电电路对闪光电容器充分充电所需的时间。但根据目前的可用输入功率、电容值及充电器电路特性可达1至5秒之间的充电时间。
一个闪光电容器充电器基本上是一种具有某些特殊能力的变压器耦合升压转换器。当其 "充电" 控制线为高电位时，稳压器同步内部功率开关，使升压变压器产生高压脉冲，然后这些脉冲再被整流和滤波，即产生300V的直流输出，其转换效率高达80%。
凌特提供一种可满足以上所有技术及性能要求的完整闪光灯电路。此外，该解决方案还利用LT3468-1（一种采用SOT-23封装的照相闪光电容器充电器）来提供适合3G手机所需的紧凑外形。

图4 包括电容器充电组件、闪光电容器、触发器、驱动器及闪光灯在内的完整闪光灯电路
请看图4左上方的电容器充电电路，增加一个肖特基二极管D2来安全箝位T1引起的反向瞬态电压。升压变压器T2则产生高压触发脉冲。假设C1被完全充电，则当Q1-Q2使Q3导通后，C2将电流储存进T2主端。然后T2副端再将高压触发脉冲提供给闪光灯，使其电离并导电。C1通过灯放电并发光。整个电路占位面积小于400mm2且高度不超过6mm (包括闪光灯在内)。
给电池充电
事实上所有3G手机都在将锂离子电池作为其主要电源，但由于散热及空间有限，故必须仔细考虑应选用何种类型的电池充电器，以及需要有哪些特性才能对电池进行安全及精确的充电。
消除 " 热点" 但仍能快速充电及保持非常小的设计。线性锂离子电池充电器的一个明显趋势是继续减少封装尺寸，但不太明显的趋势是在充电周期（尤其在高电流）用来冷却IC所需的空间或通风。充电器功耗可提高IC的结温，而这种温度的升高再加上环境温度可达到足够高的水平，使IC过热并降低电路可靠性。此外，如果过热，很多充电器会停止充电周期，且只有当结温下降后才恢复工作。如果高温条件继续存在，则这种 "停止和开始" 的循环往复也将继续发生，从而延长充电时间。为减少这些风险，用户只能选择通过减少充电电流来延长充电时间或增加多些板面积来散热，从而由于增加PCB散热面积及热保护材料而增加整个系统成本。
对此问题有两种解决方案。首先，需要一种智能型线性锂离子电池充电器，这种充电器不必为担心散热而牺牲PCB面积、并采用一种可监视其自身结温以防止过热的小型热增强型封装。如果达到预置温度门限，充电器能自动减少充电电流来限制功耗，从而使芯片温度保持在一个安全水平。第二种解决方案是采用一种即使充电电流很高也几乎不发热的充电器，这要求使用脉冲充电器，它是一种完全不同于线性充电器的技术。脉冲充电器依靠经过良好稳压及电流受限的墙接式适配器来充电。
解决方案一 ：采用LTC4059A 2mm x 2mm线性电池充电器
LTC4059A是一款无需使用三个分立功率组件的单节锂离子电池线性充电器，可快速充电而不用担心系统过热；监视电路则负责报告充电电流值，并指示充电器何时与输入电源连接。它采用在可能情况下最小的封装但并没有牺牲散热性能。整个方案仅需两个分立组件（输入电容器及一个充电电流编程电阻），而占位面积仅为2.5mm x 2.7mm。
LTC4059A的2mm x 2mm DFN封装只有SOT-23封装一半的占位面积，并能提供大约60(C/W更低的热阻，以提高散热效率。通过适当的PCB布局及散热设计，LTC4059A可从5V输入上以高达900mA的电流对单节锂离子电池安全充电。此外，设计时还不需考虑最坏情况下的功率耗散，因为LTC4059A采用了专利的热管理技术，可在如环境温度过高的高功率条件下自动减少充电电流。
解决方案二 ：带过电流保护功能的LTC4052脉冲充电器
LTC4052是一款用于单节4.2V锂离子/锂聚合物电池充电的单片、全集成脉冲充电器。LTC4052的功耗大约为280mW，并能从5.25V输入上以0.8A电流快速充电，而线性充电器解决方案的功耗则高达1.8W。不像以电感器来获得高效率及低散热的开关充电器，LTC4052采用无电感器型设计。利用LTC4052设计的700mA至2A锂离子/锂聚合物电池充电电路仅占70mm_ 的面积 ，且高度低于1.7mm。通过将功耗减至最低水平，LTC4052可放宽对终端设备的热设计要求，因此可采用更小的封装、更低的散热气流及更小的PCB面积，且能消除热点以及对散热片及风扇的需要。

图5 LTC4052脉冲充电器电路图
LTC4052要求用一个电流受限的墙接式适配器来控制充电电流值。它还配备有过流保护以便在偶然使用较高电流或故障墙接式适配器时能提供保护。LTC4052为一款全集成脉冲充电器，无需使用外部MOSFET或隔离二极管 (如图5所示)。这是一款带集成C/10检测、充电状态指示、充电结束定时器、墙接式适配器检测及过流保护的独立充电器IC。LTC4052可在4.5V至12V输入源上工作，并具有1% 飘移电压精度。

结语
随着在3G手机中的特性不断增加，凌特继续推出各种创新的IC，使这些手机不仅能保持其当前的外形尺寸，而且还不用牺牲性能、可靠性及电池使用寿命。