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智能手机电源管理IC简介

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智能手机电源管理IC简介

目前,在大多数智能手机中都有一个电源管理IC(PMIC),或者称为电源管理单元(PMU)。是一种特定用途的集成电路,其功能是为主系统作管理电源等工作。PMU承担着大部分供电任务和一些其他单元功能,如接口或音频。一些占市场主导地位的模拟半导体厂商提供PMU的定制、半定制和/或标准器件。一个电源管理IC示例的结构如图所示。

1.低压差线性稳压器
大多数智能手机中,一般会用到5~12个独立的低压差线性稳压器(LDO),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(导通/关断)开关来阻止噪声耦合。大多数LDO集成在PMU内部,但仍有时使用个别分离的LDO,这主要是考虑到PCB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例如集成数码相机等。
一直以来,SOT-23封装的150mALDO是这些离散(分离的)电源的最佳选择。目前,一些最新面世的IC采用新型封装、新型亚微米处理工艺和先进的设计方案,能够以更小的尺寸提供更高的性能。现在可以获得SOT-23封装单个300mALDO或两路150mALDO的器件,或者微型SC-70封装获得单个120mALDO,兼有标准版和超低噪声(RMS值10µV、85dBPSRR)版的器件。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3mm×3mm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。QFN封装可实现更高电流的LDO,和在每个封装内封装更多数量的LDO,其中可包含3~5个LDO,这就缩小了分离式方案和PMU之间的差异。
电源管理已日益成为一个战略性的竞争优势,特别是在通信、计算以及工业应用等领域。随着FPGA和SoC的不断发展,设计人员在下一代嵌入式系统中增加了大量混合信号功能,实现了以前无法企及的系统级性能。

2.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。由于在新一代智能手机内部集成了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,处理器的内核电压不断降低,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内核供电。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适当的、SOT-23封装、具有1MHz以上开关频率、允许选用微型外部电感和电容元件的降压型转换器。

3.为RFPA(射频功率放大器)供电的降压型(Buck)转换器
Buck转换器通常还被用于驱动CDMA射频功率放大器(PA),它会随着终端与基站之间距离的改变动态调节功率放大器的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40~65mA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。
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。SOT-23封装的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RDS(ON)P沟道MOSFET,在高发送功率时直接由电池驱动功率放大器。为了进一步减小总体尺寸,最新的降压转换器集成了这个附加的FET。

4.LED驱动
在带有彩色显示屏的智能手机中,白色LED因其电路简单和非常高的可靠性现已成为背光应用中的主流。新一代智能手机一般使用3或4个白色LED在主显示屏中,两个白色LED在副显示屏中(折叠式设计),还有6个或更多白色或彩色LED在键盘的背面。如果集成有相机的话,还至少需要4个白色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个甚至更多个LED,它们全部都需要恒流驱动。
目前,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。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LED连接时需要许多引线。由于LED电源的市场非常大,不可胜数的IC被设计出来用于此目的。设计中需要考虑的因素包括高效率、小尺寸外部元件、低输入纹波(防止噪声耦合到其他电路)、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。
一些PMU包括有白色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。这就要求大尺寸的电感和电容,并产生很大的输入纹波。很多设计中常常需要采用一个分离的LED电源驱动IC与PMU配合工作,或直接选用高集成度的分离方案。

5.电池充电和管理IC
几乎所有手机都使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PMU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限流型适配器;
(4)利用反馈调节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PMU内部时才可用。
分离式充电IC具有很多灵活性,但在智能手机中这种优势大打折扣,因为集成式充电器很容易通过PMU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。

PMIC的主要功用为控制电量流量及流向以配合主系统需要。在多个电源(例如,外部真流电源、电池、USB电源等),选取、分配电力给主系统各部分使用,例如提供多个不同电压的电源,并负责为内部电池充电。因为使用的系统多以电池为电源,其多使用高转换效率的设计,以减少功率损耗。电源管理芯片的应用范围十分广泛,发展电源管理芯片对于提高整机性能具有重要意义。

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| 发布时间:2019.06.25    来源:电源适配器厂家
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