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蜂窝电话的电源管理器IC及其新技术应用的最佳选择

发布时间:2020-06-30 17:58:00 阅读: 来源:阻垢剂厂家

多功能的新一代蜂窝电话巳在国内外市场广泛使用。新一代手机不仅尺寸小巧,而且集成了更多的功能,如PDA功能,收/发电子邮件,短信服务,以及在大尺寸、色彩丰富的显示器上浏览互联网信。有些手机型号还包含了调频(FM)收音机、MP3播放器、甚至分辨率较高的数码相机等。 无论其功能如何,对消费者而言,总是期望在手机不增加尺寸的情况下提供持久的电池寿命。即在一个更狭小的机匣之中既能具有更多功能同时又只消耗更少功率。这样给电源管理设计提出了极为苛刻的要求。

本文引用地址:为了应对桃战,制造商必须解决以下新课题: 1、坚持开发出更小巧、更高性能的电源方案——电源管理器IC(PMIC);2、在电源管理器IC(PMIC)的基础上进一步深化、拓宽新潮技术和器件的应用,以完 成新型手机的配套的最佳选择。而本文将就如何选择新型电源管理器IC与其所发展的新技术及白光LED应用方案作分析介绍。

电源管理器IC(PMIC)如何配置

选择集成度适中的PMIC 在大多数无线手机均有心脏部分——电源管理器IC(PMIC)。其PMIC主要承担供电的任务和其他一些单元功能,如接口或音频。目前,占在市场占主导地位的一些模拟半导体厂商能提供PMIC的定制和半定制的标准器件,这些器件通常是采用针对混合信号和电源产品优化的5V亚微米的Bi(双极)CMOS工艺,而手机中任何尚未集成化的其它功能也都试图拟集成到PMIC内。对此,建议还是采用一些较为适中的方案,如图1所示MAX1502标准产品电源管理管IC(PMIC),只集成了那些能支持CDMA芯片组所要求的通用模块。

基于以下因素,某些特定单元不应被集成: 1、该单元如果采用其他不同的工艺设计会更省钱或更小; 2、该单元可能会因技术的发展或客户要求的变化在不同的设计版本中发生变化; 3、该单元可能在不同的平台上不通用; 4、该单元可能会给研发进度带来过分的设计挑战/风险; 5、该单元可能会因性能的原因(例如噪声耦合)不适合被集成。

无疑,集成尽可能多的功能单元到PMIC中,其目的就是为了节省成本和尺寸,尤其是当这种集成方案被大批量的手机普遍接受时。风险可以通过随着设计的改进及逐步提高集成度而得以控制。 关于PMIC及其低压差线性稳压器(LDO)的发展 蜂窝电话内部一般会用到5至12个独立的低压差线性稳压器(LDO1、LDO2…LDO12可见图1所示),LDO的数量如此之多并不代表终端内部存在同样多数量的电压规格,而是由于LDO还被当作具有一定电源抑制比(PSRR)的on/off(开关)来阻止噪声耦合。大多数LDO集成在PMIC内部,但仍有个别分离的LDO被保留下来,主要是虑到:PCB板的布局/布线;一些特殊元件(如压控振荡器)对噪声过于敏感;或者用来驱动一些非标单元,如集成数码相机等。 多年以来,SOT23封装的150MA LDO是这些离散电源的最佳选择。目前,—些最新面世的IC采用新型封装与新型亚微米处理工艺及先进的设计方案,能够以更小的尺寸提供更高的性能。现在可以由SOT23获得单个300MA的LDO,SOT23封装的两路150MA LDO或微型SC70封装的单个120MA LDO,兼有标准版和超低噪声(10uVrms-电压平均有效值、85dB PSRR)版器件。此外,更为先进的晶片级封装(UCSP)提供了最大可能的细小尺寸,而QFN封装则允许在3MMx3MM面积的塑料封装中装入最大的晶片尺寸,同时又提供更高的热传导能力。因此,QFN封装可实现更高电流的LDO和每个封装具更多数量的LDO。其中可包含3个、4个甚至5个LDO,这就缩小了分离式方案和PMIC之间的差异。

新型降压型(buck)转换器应用的出现用于处理器核的降压型(buck)转换器 LDO具有简单、小尺寸等特点,其主要缺陷是效率较低,特别是为低压电路供电时效率问题更加突出。由于在新一代蜂窝电话内部集成了PDA功能或互联网功能,要求处理器的数据处理能力、运算能力更加强大,为了降低功耗则处理器的核电压就应不断降低,从1.8V降到了0.9V。为了降低电池损耗,应采用高效的降压型转换器为处理器核供电。为此,在设计中需要考虑的主要因素有:低成本、小尺寸、高效率、低静态(待机)电流和快速瞬态响应。为解决上述问题不仅需要丰富的模拟设计经验,还需要一定的独创能力。就目前来说,只有少数几家领先的模拟半导体制造商能够提供合适的SOT23封装和具有1MHz以上开关频事及允许选用微型外部电感、电容元件的降压型转换器。 为RF功率放大器供电的降压型(buck)转换器 在比较成熟的蜂窝电话市场,buck转换器还被用于驱动CDMA射频功率放大器(PA)之中,它会随着终端与基站之间距离的改变,动态调节功放的VCC电源电压。考虑了发送概率密度函数后,buck转换器平均可节省40MA到65mA的电池电流。具体节省电流的数量取决于输出电压的级数、PA的特性、以及是在城区还是郊区发送语音或数据,基于国际上少数国家的成功经验和一些先进的WCDMA厂商的先期工作,当今韩国、美国和其他一些欧洲的蜂窝电话厂商现已开始利用这种降压型(buck)转换器或称开关调节器(如MAX1820芯片)进行测试或设计。要求这种buck转换器具有非常小的尺寸、低成本、低输出纹波和高效率等特点,而SOT23封装型转换器再次成为优选方案。为保持尽可能低的压降,通常采用一个分离的低导通电阻Rds(on)P沟道MOSFET,而其在高发送功率时直接由电池驱动PA。为了进一步减小总体尺寸,最新的降压转换器(如MAX8500系列)集成了这个附加的FET(MOS场效应功率管)。

应用白色LED是新潮流方案

直接选用高集成度的分离方案的选用 目前,由于近期LED技术的发展已产生了一种能够发出白光的LED。白光LED与传统的背光源相比具有小尺寸、低成本、复杂度低、等许多优势。为此在带有彩色显示屏的无线手机中,特别是白色LED因其电路简单和非常高的可靠性现已成为背光源应用中的主流,其效率高于卤素灯。新一代蜂窝电话一般使用3或4只白色LED在主显示屏中,2只白色LED在副显示屏中(折叠式设计),还有6只或更多白色或彩色LED在键盘的背面。如果集成有相机的话,还至少需要4只白色LED用于闪光灯/频闪和MPEG影像照明。这样,在一个手机内总共用到了16只LED,它们全部都需要恒流驱动。

由于数年前,第一代彩显手机采用的是效率较低的1.5倍压电荷泵和镇流电阻,通常这样利用BUCK转换器驱动PA所省下的40MA电流被白白浪费了。如今。大多数设计中采用基于电感的升压转换器来获得更高的转换效率。而新推出的1倍/1.5倍压电荷泵可以获得同样高的效率,而且省去了外部电感,只是与白色LED连接时需要许多引线。由于LED电源的市场非常大,为此,许多性能价格比高的IC被设计出来用于此目的,但设计中需要考虑的因素包括:高效率与小尺寸外部元件;低输入纹波(防止噪声耦合到其它电路);简单的调光接口以及其他一些有利于降低成本或增加可靠性的特性,例如输出过压保护。 现在一些PMIC包括一个白色LED电源,但通常不能驱动多个显示器或相机的频闪,而且可能存在效率低或开关速度过慢的问题。为此,必须要采用大尺寸的电感和电容,这样的后果是会带来很大输入纹波。

那如何解决? 据此,在设计中常常采用一个分离的IC与PMIC配合工作或直接选用高集成度的分离方案。值此介绍的是高集成度的分离方案,见图2所示:即用高效率的升压转换器MAXl582所产的电源电压,来照亮手机主显示器(6只色LED)、辅助显示器(2只色LED)和键盘(3只色LED)的白色LED设计新方案图。其输入电压为2.6v-5.5v,由于白色LED正向电压的典型值约为3.5V±l0%则输出电压Vout1应大于11v,输出电压Vout2应大于7v。这样解决了白色LED背光是手机中用电大户之一的难题。其L为22uH微型外部电感。 紧凑的无电感升压电路MAX1759-调节白光的偏置电流

白光LED正向电压的典型值约为3.5V±l0%,只需为器件提供正向偏置即可得到白色光。当白色光LED正向电压高于电池电压时需要升压电路,传统的解决方案是利用升压电路、通过镇流电阻为LED提供偏置,这种方案存在两个缺陷:首先,白光LED较宽的正向电压变化范围会造成较大的偏置电流变化、导致亮度偏差;其次,传统的升压方案在输入与输出之间有一条直流通路(即使在关断状态),使不工作的LED不必要地消耗电池电流。 为克服上述弊端,而采用新型无电感升压电路MAX1759(即稳压型升/降压电荷泵),是一种结构紧凑的解决方案,见图3所示电路。稳压型升/降压电荷泵采用小尺寸(uMAX)封装,可提供100mA输出电流。按照图3中配置,可直接为白光LED提供稳定的偏置电流,为多个并联LED提供偏置时具有较好的亮度分布。MAX1759电路在关断状态下输入与输出之间没有直流通路,用户能够利用SHDN控制白色LED背光的通、断。该电路还带有一个“电源正常”(POK)输出,告知微处理器白色LED背光是否己准备好。而图3所示的输入C1R1C2“∏”型滤波器可将反射到输入端的电压VIN纹波限制到仅40mVp-p(当Vin=3.6V时)。 由于输出电压Vout纹波不影响视觉效果,在本应用中被放在次要位置考虑,允许选用一个小的输出容C3(0.22uF),即使这样,输出纹波也只有400mVp-p。

电池充电

几乎所有手机都用简单的线性充电器为3节NiMH电池或1节锂电池充电,很多情况下该充电器被集成到PMIC内。不过,为了简化设计,检流电阻和调整管还是在外部。

为了保证热耗散在容许范围内有许多措施可以选择: 1、以C/4或更慢的速率充电; 2、让墙上适配器具有一定的阻性,使大部分电压降落在它上面; 3、选用脉冲充电方式和阻流型墙上适配器; 4、利用反馈调节墙上适配器使调整管上的压差保持恒定; 5、增加一个恒定热量控制环路,通过节制充电电流来保持恒定的晶片温度,这种方式只有在调整管置于PMIC内部时才可以用。

值得指出的是虽然分离式充电IC具有很多灵活性,但在峰窝电话中这种优势大打折扣因为集成式充电器很容易通过PMIC的串行接口重新编程设置,使其适应不同的电池化学类型或容量。

应该说随着蜂窝电话型号与功能的增多,其对PMIC的要求也越来越高,面临这新桃战、新课题,制造商与设计人员当务之急是应开发出符合新发录展要求的PMIC及其新技术。从以上分析可以看出,无论是集成度高的PMIC型或降压、升压转换器,还是分成离式与IC相配合及白色LED等多种形式及新技术,其共同的特征是体积小、低成本、高效率。

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