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(多图) 智能手机电源管理系统的设计

Jeff Falin?? 德州仪器便携电源管理产品的应用工程师?? 2004年09月01日 ?? 收藏0



集成解决方案

  在此解决方案中,3.3 V I/O 电平由 SEPIC 转换器提供,该转换器允许锂离子电池降至其最低电平(大约2.7 V)。如同在离散解决方案中一样,由稳压器提供的电平可从 3.3V 电平开始降低,以提高效率。TPS65010 采用 48 引脚 QFN 封装,并完全集成了 FET。采用 4×4mm2 QFN 封装的 TPS61130 SEPIC 转换器集成了 FET,并可获得 90% 以上的效率。TPS5100 是一款三输出控制器,专门设计用于电源显示。PA 及 CPU 电源轨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。
  如何取舍离散解决方案与集成解决方案
  如何在离散解决方案与集成解决方案之间进行选择呢?通常,集成 IC 比多个额定值相等的分立 IC 更便宜。此外,如下图 6 中的 PCB 布局图所示,TPS65010 及相应的无源元件所占的板级空间比具有相同功能的分立 IC 所占用的空间更小。这在很大程

度上是由于跟踪分立 IC 之间的路由需要额外的空间。由于 TPS65010 包括附加功能,如电源电平序列、振动器及 LED 驱动器(不然的话,这些功能要通过分立 IC 来实施),因此集成解决方案可节约更大的 PCB 空间。
  过去,集成 IC 的专用程度非常高,并且灵活性不高。因此,在设计周期的后期,不能对其进行重大的设计变更。但是,新型制造工艺技术(包括用于对输出电压轨进行编程的集成 EEPROM 以及后封装微调)使得现有 IC(如具有不同固定输出电压的 IC)的“精细”简单修改变得更为轻松、快速,并且成本更为低廉。另一方面,备用电源往往不可用于集成 IC 的事实可能会迫使使用离散解决方案。
  未来面临的挑战
  消费者希望能够延长智能电话的工作时间。最新开发的 IC 加工工艺具有更低的漏电流及更小的电阻(有时通过铜叠加),分别转化为具有更低静态电流及更小阻抗的 FET。它们最终均可使电源 IC 的效率更高。例如,具有集成FET的 TPS6222x 400 mA 降压转换器采用 SOT-23封装,最高可提供近 93% 的效率。但是,与不断发展的半导体技术不同的是,在电池技术方面仍未出现不增大电池尺寸即可延长其使用寿命的重大进展。在电容器发展过程中所取得的某些进展,使得可充电电池与电容器之间的区别越来越小。当换电池时,普遍采用高能量超级电容器来为便携设备供电。此外,高能量、高功率超级电容器还可提供瞬时强电流,因而可通过其提供突发能量进行电池防护,以延长电池使用寿命。这些超级电容采用点滴式充电方式,不会产生噪声,并且可集成到电池包中。有关燃料电池的介绍有很多,但目前安瓿 (ampoule) 尚未标准化。由于缺乏标准,因而无法对其进行广泛分销,也就很难全面实现商品化。此外,燃料电池的输出瞬态响应能力也较差。至少在一开始,推出的燃料电池只是作为补充件而非替代品。
  此外,消费者还希望封装器件的体积更小但功能更强。创新型电源管理 IC 设计以及封装与工艺技术改进有助于实现该目标。紧缩技术节点可以生产出体积更小的 FET,从而减小整个芯片及封装大小、降低工作电压、降低门电容,进而提高交换速度。对于基于电感器的交换电源来说,交换速度越快,电感器的体积就越小。新型封装技术能够以更小的外形提供更强的功能以及更低的功耗。例如,具有集成 FET 通用元件的 bq24010 锂离子线性充电器采用3X3 mm2 QFN 封装,在温度适中的环境下可提供低至 1.5 W 的功耗。

PCB 布局图

  但是,在较低的工作电压范围内改进功能通常会对电源管理结构以及低噪声布局提出更严格的容差要求。例如,如果 1.2V 电源的容差为 +/-3%,则要求输出的变化范围不得超过 +/-36mv;而如果 3.3 V 的容差为 +/-3%,则允许的变化范围为 +/-99mV。因此,在今后几年内,对 DC/DC 转换器尽可能以更小的外形提供更严格的容差、更高的电流、更高的效率以及极低的 EMI 的要求将日益增长。此外,随着体积的减小,进而导致散热面减小,这些高功耗 IC 的热管理所面临的挑战也越来越严峻。
  集成电源
  目前,电源解决方案采用集成度不同的电源 IC。将部分或全部模拟电源 IC 与数字组件(如基带处理器)集成在一起的优势包括:大大节约了 PCB 空间,降低了总体成本。过去,要实现更高一级的数字与模拟组件集成的障碍之一就是,复杂电子仪器每个部分的要求各不相同。数字基带部分要求高密度的工艺技术来进行数字信号处理,而模拟基带与电源部分则需要更高电压的器件。射频部分尤其是 PLL,则要求 BiCMOS 器件为高频率运行进行了专门优化。过去,数字设计人员忽略了工艺发展,并且一味致力于高密度工艺,因此需要高电压器件的电路只能采用其它工艺,即单独的数字 IC。最近,半导体制造商不仅致力于开发单一 BiCMOS 工艺,以缩小最短门长,从而提高密度与速度,而且为模拟与电源应用推出扩展的高电压器件。最后,包括电源管理在内的许多数字与模拟功能都将集成在同一芯片上。


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智能手机? 电源管理? 设计?

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