智能型手机电源管理系统的设计
当今科技所需求的手机电池除了要能够长时间供应稳定电源外,体积小重量轻也是关键。缩小电路板面积、增长供电时间与减少成本该如何毕其功于一役?将众多电源管理组件整合在单一芯片上将是解决问题的最好途径。
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
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 |
|
VBAT = 4.2 - 3.6 V 的平均效率电池寿命的前10% (600mAh ´ 10%) |
78% 60mAh |
93% 60mAh |
86% 60mAh |
小计 |
46.8 mAh |
55.8 mAh |
51.6 mAh |
VBAT = 3.6 - 3.3 V 的平均效率电池寿命的80% (600 mAh ´ 80%) |
91% 480mAh |
96% 480mAh |
86% 480mAh |
小计 |
436.8 mAh |
460.8 mAh |
412.8 mAh |
VBAT = 3.3 - 2.7 V 的平均效率电池寿命的后10% (600 mAh ´ 10%) |
0 60mAh |
0 60mAh |
86% 60mAh |
小计 |
0 |
0 |
51.6 mAh |
总寿命周期 |
483.6 mAh |
516.6 mAh |
516 mAh |
% 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
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