智能手机电源管理系统的设计

技术分类: 电源技术  | 2004-05-06
Jeff Falin,德州仪器便携电源管理产品的应用工程师

考虑到某些新型、更高效率的正降压-升压转换器,则将电池电压稳定在 3.3V 并使用高效率开关降压转换器来提供 3.3V 也不失为一种有效的方法,甚至可能是一种更诱人的选择。因此,下面介绍的离散解决方案使用了降压转换器,而集成解决方案则使用SEPIC 转换器来提供 3.3V 。
  系统概述
  智能电话中对不同组件的电源要求不同。图 2 中显示了蜂窝电话中主要组件电源需求的简单结构图。例如,射频部分的 VCO 与 PLL 要求电源电平具有极低的噪声与极高的电源抑制,以确保提供最高的收发性能。因此,尽管线性稳压器的效率非常低,但由于它没有输出纹波,因而对于该电平来说是最佳的选择。此外,它对在 IF 频带外保持 DC/DC 转换器的交换频率以及其第 2 个与第 3 个谐波来说非常重要。由于 DSP/CPU 内核电压已降至大约 1V 左右,因此基于电感器的高效率开关降压转换器也是合适的选择。提供屏幕背光的白色 LED 可通过充电泵或基于电感器的升压转换器来实现供电。

蜂窝电话中主要组件电源需求的简单结构图

  动态电压估量
  图1显示了功率需求最大的两个组件,一个是射频部分,其主要是发送器的功率放大器 (PA),另一个是基带处理
器。根据电话距离基站的远近程度,一次呼叫 PA 可消耗高达 75% 的总电量,而在待机模式下仅消耗 30%。通常,带有非线性 PA 的旧式 GSM 电话发送器的效率大约为 50%。但是,像 WCDMA 这样的最新标准则要求幅度与相位同时调制,而这只能通过工作效率在 25% 至 35% 之间的线性 PA 来提供。此外,CDMA2000 1x 电话的正常基带处理器负载要求均在 60  至 120 mA 之间。因此,为 PA 及处理器提供最大功效是至关重要的。

功率放大器效率

  与大规模集成 IC 中所采用的技术类似,动态/自适应电压估量 (DVS/AVS)在闭环系统中将处理器与稳压器链接在一起,该系统可对数字电源电压进行动态调节,以达到执行相应操作所需的最低电平。PA 经过专门优化,可在最大的发送功率下提供最高的效率。由于大多数手机在使用时都距基站较近,因此手机无线电可将发送功率降至维持高质量通信所需的最低水平。电源级别降低时,PA 效率也会相应降低。从图 3 中可以看出,通过采用动态电压估量并调节功率放大器的电压,可以将效率提高10% 到 20%。
  由于数字处理器的功耗与电压的平方成正比,因此动态电压估量也可用于CPU。如果 CPU 在待机或某些其它功能减少的模式下能够以较低的频率继续操作,则可降低其电压,以降低功耗、提高效率并延长电池使用寿命。例如,假设OMAP1510 芯片使用具有 3.6 V、1Ahr 锂离子电池输入的 TPS62200 来进行供电,其特性如下:
  无 DVS 的深度休眠(PFM 模式下的 TPS62200): 
  Vout = 1.5V @ 300uA
  效率  =  93% 
  具有 DVS 的深度休眠(PFM 模式下的 TPS62200): 
  Vout = 1.1V @ 250uA
  效率 = 93%
  AWAKE (PWM 模式下的 TPS62200):  
  Vout= 1.5V @ 100mA
  效率 = 96%
  假设用法配置为 5% 的 AWAKE 及 95% 的深度休眠,可以将输出电源与时间的关系绘制成图形,从图中可以看出,通过采用深度休眠模式下的 DVS,电池使用寿命可延长 9 小时。
  离散解决方案
  图 4 显示了通过分立 IC 并将电池电压限制在 3.3 V 的条件下实施的电源管理系统。
  在该解决方案中,高效 TPS62200 降压转换器以 100% 的占空度模式运行,使得锂离子电池的电压几乎可以降至 3.3 V,同时仍可提供 3.3 V I/O 电平。除了bq24020 电池充电器、TPS61020 升压转换器及 TPS61042 WLED 驱动器采用 3×3 mm2 QFN 封装之外,上述所有组件均采用 SOT-23 封装。TPS61040 与 TPS61042集成了高侧 FET,每个组件只需要一个外部二极管。bq24020、TPS622xx、TPS61020 以及线性稳压器器件均集成了 FET。功率放大器及CPU 电源电平上的动态电压估量功能通过提高每个组件的效率,有助于降低功耗。

通过分立 IC 并将电池电压限制在 3.3 V 的条件下实施的电源管理系统

  集成解决方案
  借助最新的工艺技术,可以更轻松地组合、快速修改与/或充分利用现有的分立 IC 设计,以生产出不同级别的集成 IC。例如,普通双开关转换器 IC 与双高 PSRR、低噪声线性稳压器、专用白色 LED 电源、手机、PDA 以及数码相机多电平电源管理解决方案目前均已上市。采用电源 IC(如下图 5 中
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