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标题: 便携式应用设备电源设计的未来发展趋势 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-12 22:04
标题: 便携式应用设备电源设计的未来发展趋势
如今，随着集成功能的不断增加，移动电话还可作为便携式媒体播放器（PMP）、数码相机、掌上电脑（PDA）、甚至全球定位系统（GPS）使用。如何获得更加逼真的显示、突破热瓶颈、高效智能地管理电源是系统设计人员当前面临的挑战。
美国国家半导体（National Semiconductor）为便携式应用设备提供了多种电源管理解决方案：（1）智能WLED背光驱动器；（2）适用于射频功率放大器（RF PA）的双模式SuPA；（3）高级电源管理装置PMU。

1 智能WLED背光驱动器
在过去数年里，液晶显示屏（LCD）已极大地改进了其尺寸和分辨率。为使影片和图像更逼真、更具吸引力，背光逐渐成为优化改进的重点。随着高速3G数据流服务的发展，LCD的尺寸变得越来越大，为满足不断增加的多媒体内容的需求，LCD的用电量也与日俱增。如何延长系统待机时间与视频播放时间是系统设计人员当前关注的问题。
传统小面板LCD显示屏的背光通过一对白色发光二极管（LED）来实现。对于小面板LCD，白色LED并联使用，并由一个充电泵供电。主要原因在于充电泵的成本较低，且每个LED的亮度均匀性要求并不十分严格。而大面板LCD使用6个或以上的LED，其均匀性和效率要求非常严格。在这种情况下，充电泵无法满足其要求，而升压转换器在这方面优势明显。美国国家半导体新推出的LM3530不仅可向多达11个串联白色LED供电，还可控制电流。图1为LM3530的典型应用电路。

LM3530具有1 A限电流的特征以及从2.7 V～5.5 V的输入电压范围，使设备可作为一种多用途的背光电源，非常适合用于单一锂电池的电压范围。通过I2C可兼容接口在5 mA～30 mA范围内调节最大LED电流。与传统的WLED驱动器拓扑结构不同，LM3530拥有真正的关机功能以提高效率。此外，它还具有高达43 V的过电压保护功能。LM3530最强大的功能在于其具有支持环境光感应（ALS）和动态背光控制（DBC）的能力。
ALS：环境光感应，常用来测量外部光。在较亮的环境中，背光需要更大的电流来照亮显示屏，在较暗的环境下，背光可调低。而在传统的ALS中，处理器需要不断轮询环境光传感器的输出状态，以确定是否要增强或减弱亮度。
DBC：动态背光控制。在本系统中，显示驱动器分析内容，并输出背光驱动器所要求的设置。这就是所谓的内容调整背光控制（CABC）。在环境照明的基础上调整亮度，从而可获得更佳的对比度和暗电平。
LM3530将这2个信号进行结合，并针对不同情况智能化地确定正确的背光设置。整个过程无需处理器参与。用户可编程ALS的性能，从而根据不同的应用进行定制。考虑到可通过逻辑电平脉宽调制（PWM）信号来调节LED电流，因此可使用I2C接口启用PWM亮度控制。集成ALS和CABC支持能力可节省高达50%的电能。
从典型应用电路上可以看到，LM3530集成有将模拟输出环境光传感器信号转换成用户指定亮度级的双输入环境光感应接口（ALS1和ALS2）。环境光感应电路具有4个可编程边界，定义了5个环境亮度区域。每个环境亮度区域对应1个可变编程亮度阈值。可编程的ALS接口用来接收来自ALS1或ALS2的最低电压和最高电压，或选择接收来自ALS1或ALS2的环境光信息。在区域改变之后，LM3530将发出中断信号，处理器可调节键盘发光二极管或进行其他操作；ALS输入端还可以使用近程传感器，当有电话呼入且用户接听电话时，手机可让LM3530选择接收近程传感器输出。LM3530将锁定显示屏并相应地减弱背光，以节省电能并防止误触发触控面板。除ALS和DBC以外，12位调光器能够轻松地平顺调光的工作。与此同时，在任何给定的最大LED电流设置条件下，可采用127指数或线性调光级别进一步调节LED亮度。

2 适用于射频功率放大器（RF PA）的SuPA
目前，3G手机正在世界范围内加速推广。同时，更大的数据速率也带来了电流消耗和散热问题。目前的功率放大器均由电池直接供电，这虽然可以轻松实现系统实施，但根据这种标准制造的线性功率放大器在整个传送功率谱中只能实现较低的效率。如何以同样的高性能电池延长通话时间和电池寿命，是系统设计人员急需解决的问题。
　图2为射频功率放大器的损耗和低效率架构。在RF IN处，功率为28 dBm，对于天线处的III级功率要求，最大输出功率为24 dBm。因此，在最大功率时，附加功率效率（PAE）仅有40％。除PAE外，射频功率放大器的另一个重要规格是邻道功率/泄漏比（ACPR/ACLR）。由于功率放大器和其他子系统具有干扰无线电信道或系统的倾向，因此PAE和ACPR/ACLR常用来特征化功率放大器和其他子系统的失真。为保证高线性，无论是在正常或极端条件下，其均应符合规格的要求。

为了提高系统性能并延长电池寿命，美国国家半导体引进了可用于射频功率放大器（PA）的电源管理技术，称为SuPA。SuPA可用于功率放大器的开关单元，这是一种向PA提供电源电压的专用DC/DC转换器。图3为对其改进射频功率放大器子系统的原理进行的说明。
在传输功率增加的同时，Vout也随之增加。因此，要保持ACLR规格，必须改变SuPA的输出电压，以保证不会出现失真且线性不受影响。LM3212将2.7 V～5.5 V的输入电压降低至0.6 V～3.4 V的动态可调输出电压。使用VCON模拟输入来设置输出电压。动态可调输出电压确保在射频功率放大器的全部功率级下高效工作。在关机模式下，设备关闭并将电池消耗降低至0.02 μA。
当以GSM模式使用时，LM3212可支持高达2.5 A的电流。利用内部同步整流，LM3212可实现达95%的效率。美国国家半导体开发的LM3212既可解决效率问题，又可满足GSM/EDGE（2G）和WCDMA/EVDO/TDSCDMA（3G）标准的要求。电池电流在30 dBm时降低了50%。Vcon可由来自基带的DAC输出控制，也可由GPIO产生的滤波可变占空比PWM信号控制。

3 高级电源管理装置PMU
在开发电池直接供电设备（如手机、PMP、DSC）时，如果电源系统设计不合理，整个系统架构、软件设计和电源分配架构将受到影响。与此同时，在系统设计中，设计人员应更多地考虑如何节省电池电量，为了降低电池电流，当今的便携式产品处理器通常具有多种工作模式（待机、睡眠、深度睡眠），即当用户系统不需要全负荷运行时，处理器可进入较少功耗的低功率模式。
从便携式产品电源管理的开发趋势来看，系统设计人员需考虑以下几个方面：高灵活性、高集成性和高效。解决这些难题的常用方法是选择一种具有可编程性的电源管理装置来管理电源系统。美国国家半导体推出的LP8720是一款非常智能且高效的电源管理解决方案，其尺寸为2.5 mm×2.0 mm×0.6 mm，微表面贴装组件（SMD）封装的多功能可编程电源管理装置。该设备集成有1个基于动态电压调节（DVS）的高效400 mA逐降DC/DC转换器、5个低噪音低压差（LDO）稳压器和1个400 kHz I2C可兼容接口。
具有中断功能特性的LP8720将发出一个热关机预警中断信号并启动热关机。设备带有一个用来设置默认电压和启动顺序的控制输入DELSEL，且必须和电池（BATT）牢牢相连或牢牢接地（GND）、或让其浮接（Hi-Z），以作特定应用。当供电应用设备时，处理器LP8720用作子PMU，且可在待机模式下通过I2C首先对其进行编程（设置），以获得预期电压和顺序，这对不同的多媒体处理器相当有用。LP8720还带有另一个用来设置串行接口的从机地址的控制输入IDSEL，也必须和电池（BATT）牢牢相连或牢牢接地（GND）、或让其浮接（Hi-Z），以获得不同的I2C地址。
如果LDO的负载电流和降压转换器负载电流的总和不超过5 mA，则用户可将LP8720设置成睡眠模式。在睡眠模式下，PMU的静态电流在降压转换器和LDO1启用的情况下将进一步降低至100μA。在睡眠模式下，LDO和降压转换器不可负载大电流。LP8720在两种情况下可进入睡眠模式：一种是通过串行接口来控制；另一种是通过DVS-插脚来控制。
LP8720的降压转换器通过I2C和GPIO支持动态电压调节，这意味着系统设计人员可根据其偏好，使用I2C或GPIO来实现DVS。通过2 MHz的切换频率来使用2.2 μH的小电感器。自动PFM/PWM开关保证降压转换器能在不同负载情况下高效工作。可通过选择外部反馈电阻器网络来设置降压转换器输出电压，如图4所示。可调节Vout来使FB插脚处的电压等于0.5 V。FB插脚至接地（RFB2）的电阻约为200 kΩ赘，这有助于让流经电阻器网络的电流保持在最小值，但仍足够大，不会受噪音的影响。对大于或等于0.8 V的输出电压，应通过附装电容器C1来增加零传递功能。

在LP8720上共有5个LDO，分别为A型LDO（LDO 2，3）、D型LDO（LDO 1，5）、LO型LDO（LDO4）。A型LDO为供电模拟负载进行优化，且具有超低的噪音（15 μVRMS）和极佳的PSRR（70 dB）性能；D型LDO为良好的动态性能进行优化，以向快速变化（数字）负载供电；LO型LDO为低输出电压和良好的动态性能进行优化，以向快速变化（数字）负载供电。专门设计的LO型LDO可利用降压转换器的输出作为输入电压，以获得比传统线性调节器更高的效率。对于LDO，其具有10 μA的Iq。当Vin=1.8 V、Vout=1.5 V、Iout=150 mA时，可计算出LILO LDO效率如下：

如果LILO使用3.6 V电池作为输入电源，则效率仅为42%。虽然降压转换器存在一部分效率损失，改进的结果仍相当可观。因此，该技术可将便携式应用设备的电池寿命最大化，并最大限度地减少热损耗。

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