智能手机的电源管理发展趋势

上网时间: 2005年09月02日? 作者:Tony Armstrong? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:智能手机? 电源管理? 手机设计?

目前,智能手机的功能越来越多了,不仅允许浏览网页、发送电子邮件、拍照片、播放视频流、玩游戏,甚至还集成了具有高容量存储能力的微型硬盘驱动器作为MP3播放器使用。不过,将这些功能塞进一个外形尺寸受限的产品中,同时还需要获得更长的工作时间,智能手机制造商无疑面临越来越大的压力。

从图1可以看出,功能越多,在不同功率级上就需要越多的低压输出轨。手机中的主电源轨过去通常是3.3V,而较新的手机设计则越来越常采用1.5V的主电源轨,原因是大多数数字大规模集成的IC工作在1.5V或更低的电压上。以下两个例子可以说明这一点,它们都需要1.375V电压的基带芯片组和1.2V电压的应用DSP用于视频处理。
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图1: 智能手机方框图

由于受到空间、效率和成本的制约,用负载点(POL)DC/DC转换直接把3.6V的锂电池标称输出电压降至上述较低的电压是不现实的。因此,设计师们采用两步转换的方法。他们先用高效率降压型转换器将锂电池电压降至1.5V,然后从这个1.5V主电源轨,他们可以简单地用非常低压差(VLDO)稳压器为低压数字LSI集成电路供电。由于标称工作电流较低且低压轨之间的转换效率可达80%至90%,因此两步转换方法在很大程度上可能实现,例如从1.5V降至1.375V以便为基带芯片组内核供电时,效率为91.7%。另一个采用VLDO的理由是,很多需要供电的低压集成电路都是噪声敏感的,因此这些稳压器的输出纹波可能需要低于1mVP-P。你可以将VLDO作为一个降压型开关稳压器的后稳压器,这样就容易地确保低纹波。

有人可能会说,上述做法没有必要,因为一个毫安小时容量较高的电池就可以解决问题。但消费者喜欢电池又小又轻的手机,这就是大多数手机制造商提供电池标称容量为600mAH的产品,然后再提供一个较大容量的电池作为附件的原因。同时,外形尺寸受限的手机没有任何散热途径,而且其高功能含量也导致功率预算紧缺,因此高效率DC/DC转换成为优先保留的重点。不过,作为附件的电池更贵、更大也更重。当然,手机的外形尺寸也可以做得更大,以适合采用更高容量的电池。但是消费者并不喜欢大尺寸的产品,因此这种做法通常只适用于企业用户。

问题与需要考虑的因素

较低的电源转换效率产生热量,这种热量来自能量传递过程中稳压器的功率损失。在智能手机内部,没有风扇或散热器,只有一块密集排列着元器件的印刷电路板和一块电池,没有散热途径。这种热量缩短电池寿命并可能对产品的可靠性造成有害影响。

效率是用输出功率除以输入功率得出的,或者用负载功率除以输入功率。应该特别提到的是,输入电压和电流必须在DC至DC转换器的任何外部组件之前的节点处测量。同样地,输出电压和电流也必须在DC至DC转换器的任何外部组件之后测量。

由于电源转换过程中产生了热量,所以业界必须重新考虑应该采用什么类型的稳压器。制造商们已经采用了开关稳压器而不是较简单的线性低压差稳压器,因为开关稳压器具有较高的工作效率。当主电源轨是3.3V时,这么做是有意义的。但是,随着较新的设计采用了1.5V电源轨,继续采用开关稳压器就未必合适了。

表1列出了不同类型电压稳压器的优缺点,这些稳压器可用来满足智能手机的电源转换需求。这里有三种选择:线性低压差稳压器、无电感器型开关稳压器(也称为充电泵)和普通开关稳压器(带有电感器)。
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表1: 线性稳压器与开关稳压器的比较

线性低压差稳压器被认为是最简单的稳压器,由于其本身存在DC电压转换(也就是无开关),所以它只能把输入电压降为更低的电压。它最大的缺点是在热量管理方面,因为其转换效率近似等于输出电压除以输入电压的值。例如,如果一个驱动图像处理器的LDO输入电源是从单节锂电池标称的3.6V,在电流为200mA时输出1.8V电压,参见图1,那么转换效率仅为50%,因此在手机中产生了一些发热点,并缩短了电池工作时间。不过,虽然就较大的输入与输出电压差而言,确实存在这些缺点,但是当电压差较小时,情况就不同了。例如,如果电压从1.5V降至1.2V,效率就变成了80%。

当输入与输出的电压差较高时,开关稳压器避开了所有线性稳压器的效率问题。它通过使用低电阻开关和磁存储单元实现了高达96%的效率,因此极大地降低了转换过程中的功率损失。由于工作在超过2MHz的高开关频率上,所以外部电感器和电容器的尺寸可以极大缩小。开关稳压器的缺点较小,通常可以用好的设计技术来克服。

但是,当采用1.5V主电源轨并需要降压至1.2V为DSP内核供电时,开关稳压器就没有明显的优势了。实际上,开关稳压器不能用来将1.5V电压降至1.2V,因为无法完全提升MOSFET(无论是在片内还是在片外)。标准低压差(LDO)稳压器也无法完成这个任务,因为其压差通常高于700mV。理想的解决方案是采用一个非常低压差(VLDOTM)稳压器,输入电压范围接近1V,其压差低于300mV,内部基准接近0.5V。这样的VLDO稳压器可以很容易地将电压从1.5V降至1.2V,转换效率为80%。因为在这一电压上的功率级通常为100mA左右,那么30mW的功率损耗是可以接受的。

智能手机中微型HDD的使用

苹果公司的iPod和迷你型iPod的成功是智能手机采用微型HDD的关键驱动因素。iPod和迷你型iPod可选用存储容量从4GB至40GB的多种HDD。与大多数MP3播放器一样,智能手机可以由AC适配器、通用串行总线(USB)电缆或锂离子电池供电。但是,对这些电源之间的电源通路控制进行管理却是极大挑战。直到最近,设计师们一直设法用大量MOSFET、运算放大器和其他类似组件来实现这一功能,但是他们仍然面临着热插拔、大浪涌电流等问题。

大多数应用在智能手机中的微型HDD都使用直径小于2英寸的盘片。东芝30GB容量的驱动器使用直径仅为1.8英寸的单个盘片,而日立的4GB微型驱动器使用直径仅为1英寸的单个盘片,日立直径为0.85英寸的盘片也即将问世。东芝和日立的微型驱动器在一般工作情况下都只需要大约300mA电流和3.3V电压,但在旋转期间峰值电流可能高达1.2A。设计满足这么宽工作电流范围要求的DC/DC转换器可能非常棘手。

大多数智能手机采用专用集成电路来满足电池充电、电源路径控制、提供多种电源电压以及提供真正输出断接、准确USB限流等保护功能的需求。采用这种方法的理由很明显,可以用单个器件满足所有电源管理需求。但是这种方法也有缺点。首先,ASIC采用特殊芯片制造工艺制造,很难就上述所有功能最大限度地提高性能。其次芯片从订货到交货的时间较长,这个时间与ASIC的定义和开发有关。通常,电源管理专用芯片从概念到交货需要超过一年半的时间,而在这么长的时间里特定产品的设计需求可能变化三次甚至更多。

一种新的方法

智能手机的特征和功能存在着共性,这可用专用标准产品(ASSP),而且在没有采用单一芯片制造工艺制造IC时常要对性能做出妥协。

凌特公司的采用4mm x 4mm QFN封装的LTC3455无缝地管理AC适配器、USB电缆和锂电池之间的电源通路,同时符合USB电源标准。同时,LTC3455还具有一个全功能线性锂电池充电器,可提供高达800mA的充电电流,另外,它还有两个高效的同步降压型转换器,能产生大多数USB外部设备需要的低压轨。此外,LTC3455还为微处理器提供加电复位信号、为存储卡供电提供热插拔(HotSwap)输出以及提供一个适合用作低电池电量比较器或LDO控制器的自由增益构件。

图2所示的LTC3455应用原理图说明了它如何实现多种功能。DC/DC转换是相对简单直接的降压型转换器功能。LTC3455的两个片上降压型转换器在电流模式控制下工作,在以引脚可选的突发模式(Burst Mode)工作时可实现高达96%的效率。这些DC/DC转换器以1.5MHz的固定开关频率工作,允许使用非常小的外部电感器。

LTC3455的电源提供方法与属于充电器馈送型系统的现有电池和电源管理IC不同。在这类系统中,外部电源不直接向负载供电,而是用适配器或USB端口给电池充电,然后再由电池向负载供电。如果电池已经深度放电,那么电源电流要经过一个延迟时间才能到达负载。这是因为在电池获得所需的最低充电量之前不能向外供电。

LTC3455去除了这一延迟,这样AC或USB只要一接上电源,手持产品就能加电。此外,该芯片将利用任何未被负载使用的可用电源给电池充电。

没有充电延迟以及同时给电池充电和向负载供电这两个好处延长了应用的有效工作时间,在连接到USB电缆上时,还能加速充电过程。这种电源管理方法的另一个优点是,无论何时,只要有AC或USB电源可用,就能提高效率。这样就无需电源转换这一步骤了。

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图2: 3.3V/1.2A 输出的 LTC3455 原理图。

为HDD旋转提供3.3V/1.2A输出

当内部电流限制在900mA时,开关2(见图2中的SW2)一般提供一个3.3V/600mA的输出。尽管这么大的电流在一般手机中足够了,但是如果有微型HDD,就需要3.3V电源以提供超过1A的电流。通过简单地增加一个纤巧SOT-23 PMOS FET,并把增益构件用作LDO,LTC3455能满足这一需求,其3.3V输出现在可提供1.2A输出电流,满足盘片开始旋转时HDD的峰值电流需求。

开关2针对3.3V输出电压编程,LDO针对3.2V输出电压(低3%)编程。只要负载电流足够低,低到开关2可以提供的程度,如在HDD盘片已经正常旋转时,LDO就完全关断。而当负载电流超出开关2能够提供的范围,如HDD盘片需要从休息状态进入旋转状态时,3.3V输出略微下降,LDO提供所需的额外电流。尽管3.3V的输出电流从0.5A步进到1.2A时,瞬态响应下降,但是可以增加更大的输出电容,以在这种大电流负载步进期间改善3.3V的瞬态响应。

一种可用的“基本构件”方法

在有些应用中,ASSP也许太多了。在这种情况下,一种更简单的基本构件方法是较好的选择,可用此方法在锂离子电池自然放电期间为HDD供电。一种单片同步降压-升压型转换器是这种情况的理想解决方案,这种转换器不管输入电压是高于、等于还是低于输出电压,都能提供3.3V固定输出。凌特的LTC3440就是这样的器件。

LTC3440是一种高效率、固定频率、降压-升压型DC/DC转换器,能够用单个电感器调节输出电压,使其高于、低于或等于输入电源电压。其输入和输出电压范围均为2.5V至5.5V,而输出电流在VOUT=3V时能达到600mA。LTC3440在所有工作模式(即降压、通过和升压)下都具备连续输送功能,非常适用于延长单节锂电池、多节碱性或镍氢电池的工作时间,在这些电池中,输入电压随着电池放电而下降。

在由单节锂电池供电的智能手机中,微型HDD可能需要恒定3.3V电压和300mA标称电流,而电池的输出电压可能会从4.2V下降到2.7V。当电池电压从4.2V下降到3.3V标称电压时,LTC3440会以降压模式工作。在3.3V时,LTC3440将切换到通过模式,电压100%通过。一旦电池电压下降到低于3.3V并有可能继续下降到2.7V时,LTC3440就以升压模式工作。与普通降压型转换器相比,使用LTC3440可将电池使用寿命延长多达20%。

最后,LTC3440的恒定频率、同步拓扑中包含两个0.20Ω的N沟道和两个0.25Ω的P沟道 MOSFET,可实现高达96%的效率。高达3MHz的开关频率可用外部定时电阻编程,振荡器可与外部时钟同步。LTC3440 的可选突发模式工作允许内部MOSFET根据负载需求断续工作,将静态电流降低至25uA。

结论

随着越来越多的智能手机采用微型HDD,就如何在不对电池寿命做出妥协的前提下为智能手机供电而言,设计师们可以做出自己的选择。无论用ASSP方法,还是一个独立的“基本构件”DC/DC转换器,LTC3455和LTC3440都可组成紧凑、性能驱动和具经济效益的高效解决方案。

Tony Armstrong,电源产品部产品市场经理,凌特公司


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  • 什么是智能手机
  • 智能手机是Smart Phone的中文名称,具备通话、个人信息管理、电子邮件、基于无线数据通信的浏览器等先进功能,并配有操作系统的手机。
    智能手机有一个类似PC架构的应用处理功能,加上手机功能。
    智能手机的成本会比较高,功能强,可支持触摸屏MP3、可下载软件、功能齐全的PIM功能等。
    相对于传统手机,智能手机的电话功能不占优势,但是网络应用是传统手机无法实现的,比如GPRS的MSN Messenger、QQ,联众的游戏,股票软件等等。

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