智能型手机电源管理系统的设计

　　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。

　　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。

　　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

1.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。 {{分页}}

2.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

2.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。

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。

　　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。

　　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 {{分页}}

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。

●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。

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率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