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标题: 3G手机电源管理的设计方案 [打印本页]

作者: admin 时间: 2014-10-12 22:06
标题: 3G手机电源管理的设计方案
不断增多的功能使手机设计面临更严峻的电源管理挑战。本文从电压转换、稳压、闪光灯电路、电池充电等方面分析了未来手机的电源管理设计趋势和各种相应的解决方案。
3G手机不仅可以浏览网页、发送电子邮件、拍摄数码相片，甚至能播放视频流。手机制造商正面临越来越大的压力，因为他们必须把这些功能集成进不断缩小的体积内，同时要让手机维持较长的工作时间。

                                             图1
   从图1可以看出，不断增多的功能促使手机需要更多不同功率水平的低电压输出电平。一个例子是用于图像处理的应用处理器，它在视频捕获期间需要高达360mw的功率。在满负荷运行时，手机内部系统的负载所需的峰值功率通常将超过4W。这么高的功率会很快耗尽电池的能量。影响电池运行时间的另一重要因素是电源效率和系统电源管理。
      低电源转换效率将导致发热。这种热量是因为电压调节器在能量转换过程中的功率损失而产生的。但手机中没有用于冷却的风扇或散热片，而只有密集封装的印制电路板。因此没有任何通道可让热量散出。这些热量会缩短电池寿命，并降低产品的可靠性。
      由于电压转换期间会产生热量，业界需要重新考虑应该采用何种稳压器。目前，制造商正在采用开关调节器取代简单但低效的线性低压降(LDO)稳压器，因为开关调节器具有更高的效率。
   对于可满足手机内部电源转换需求的不同电压稳压器，我们必须认真考虑它们的优缺点(见表1)。目前有三种选择：线性LDO稳压器、无电感型开关稳压器(亦称为充电泵)以及传统的开关稳压器(基于电感器) 。

      线性LDO稳压器被认为是最简单的方案，它只能将输入电压转换到更低的电压。它最显著的缺点是热量管理，因为它的转换效率接近于输出电压与输入电压的比值。例如，一个LDO的输入端是标称为3.6V的单单元锂离子电池，它在输出电流为200mA时提供1.8V的输出电压，以驱动图像处理器。那么，它的转换效率只有50%，因此它会在手机内部产生热点，同时会缩短电池使用时间。
   开关稳压器可避开所有线性稳压器的效率缺点。通过使用低阻抗开关和磁存储组件，开关稳压器的效率能达到96%，从而显著减少转换过程的功率损耗。由于工作在非常高的开关频率(大于2MHz)，这可以减小外部电感和电容的尺寸。开关稳压器的缺点比较少，而且能够通过良好的设计技术加以克服。
      介于线性稳压器与传统开关稳压器之间的是充电泵。在充电泵中，外部储能元件是电容而不是电感。由于没有电感，它可以减轻潜在的电磁干扰问题，以免影响敏感的RF接收器或蓝牙芯片组。充电泵的缺点是有限的输入输出电压比以及有限的输出电流能力。
拍照功能引发的挑战
      许多3G手机都能拍照甚至传送视频流。不过，当消费者开始接受这些内置相机的手机时，他们要求拥有更高质量的摄像能力。业界已经准备采用改进的图像传感器和光学系统，但工程师要特别关注高质量的 “闪光” 照明。闪光灯是获得良好摄像性能的关键，但当你准备在结构紧凑的3G手机上实现这项功能时必须谨慎考虑。
   对于两百万像素照相手机，内置闪光灯的尺寸和性能是系统设计师需要考虑的两个关键因素。现在，闪光照明有两种实际选择：白光LED(发光二极管)和闪光灯。表2比较了LED与闪光灯的性能。LED的优势是具有连续工作能力，而且只需要低密度的支持电路。
   然而，闪光灯拥有一些对高质量摄像特别重要的特性。它的线源光输出是点源LED的数百倍，因而可以在大范围内产生密集且容易发散的光线。此外，闪光灯的色温是5500°K至6000°K，这非常接近自然光，从而消除了白光LED在蓝光峰值输出时所需的色彩校正。
      大多数设计师希望拥有氙闪光灯的性能，但他们必须保证电路尺寸和复杂度不会对方案的具体实现造成负面影响。要更好地理解与此任务相关的设计困难，设计师必须仔细考虑闪光灯的物理尺寸和操作以及为了确保它安全、正确地工作所需的支持电路。

闪光灯及其支持电路
   闪光灯通常是一个充满氙气的圆柱形玻璃管，其阳极与阴极都直接与氙气接触，而沿灯管外表面分布的触发电极则不与氙气接触。气体击穿电压一般是在几千伏范围内。一旦发生击穿，灯阻抗会下降到1W以下，此时流过击穿气体的高电流就会产生强烈的可见光。
   闪光灯由触发电路和一个可产生高瞬态电流的储能电容控制。工作时，闪光电容器一般被充电至300V。最初，电容器不能放电，因为闪光灯处于高阻抗状态。但当触发电路接到命令后即会给灯施加数千伏的高压，于是灯被击穿，从而使电容器放电。对闪光重复率的主要限制是灯能否安全散热。第二个限制是充电电路给闪光电容器充满电所需的时间。根据目前的输入功率、电容值及充电电路特性，充电时间一般在1到5秒之间。
   闪光电容器充电器基本上是一种具有某些特殊能力的变压器耦合升压转换器。当其 “充电” 控制线为高电位时，稳压器同步内部功率开关，使升压变压器产生高电压脉冲。然后，这些脉冲再经整流和滤波，产生300V的直流输出，其转换效率高达80%。
   一种可满足以上所有技术及性能要求的完整闪光灯电路。通过利用LT3468-1(一款采用SOT-23封装的闪光电容器充电器)，该解决方案可提供适合3G手机的紧凑外形。

图2
   图2左上方是电容器充电电路。一个肖特基二极管(D2)用来安全箝位T1引起的反向瞬态电压。升压变压器T2用来产生高电压触发脉冲。假设C1被完全充电，那么当Q1～Q2使Q3导通时，C2将电流储存进T2主端。然后，T2副端将高压触发脉冲提供给闪光灯，使其电离并导电。C1通过闪光灯放电，从而实现发光。整个电路占位面积小于400mm2且高度不超过6mm (包括闪光灯在内)。
电池充电解决方案
      事实上，所有3G手机都采用锂离子电池作为主电源。由于散热及空间的限制，设计师必须仔细考虑选用何种类型的电池充电器，以及还需要哪些特性来确保对电池进行安全及精确的充电。
   线性锂离子电池充电器的一个明显趋势是封装尺寸继续减小。但值得关注的是在充电周期(尤其在高电流阶段)冷却IC所需的板空间或通风条件。充电器的功耗会使IC的接合部温度上升。加上环境温度，它会达到足够高的水平，使IC过热并降低电路可靠性。此外，如果过热，许多充电器会停止充电周期，只有当接合部温度下降后才恢复工作。如果这种高温持续存在，那么充电器“停止和开始”的反复循环也将继续发生，从而延长充电时间。为减少这些风险，用户只能选择减小充电电流来延长充电时间或增大板面积来散热。因此，由于增加了PCB散热面积及热保护材料，整个系统成本也将上升。
   对此问题有两种解决方案。首先，需要一种智能的线性锂离子电池充电器，它不必为担心散热而牺牲PCB面积，并采用一种小型的热增强封装，允许它监视自己的接合部温度以防止过热。如果达到预设的温度阈值，充电器能自动减少充电电流以限制功耗，从而使芯片温度保持在安全水平。第二种解决方案是使用一种即使充电电流很高时也几乎不发热的充电器。这要求使用脉冲充电器，它是一种完全不同于线性充电器的技术。脉冲充电器依靠经过良好调节且电流受限的墙上适配器来充电。
方案一： LTC4059A线性电池充电器
   LTC4059A是一款用于单节锂离子电池的线性充电器，它无需使用三个分立功率器件，可快速充电而不用担心系统过热。监视器负责报告充电电流值，并指示充电器是何时与输入电源连接的。它采用尽可能小的封装但没有牺牲散热性能。整个方案仅需两个分立器件(输入电容器和一个充电电流编程电阻)，占位面积为2.5mm×2.7mm。 LTC4059A采用2mm×2mm DFN封装，占位面积只有SOT-23封装的一半，并能提供大约60℃/W的低热阻，以提高散热效率。通过适当的PCB布局及散热设计，LTC4059A可以在输入电压为5V的情况下以最高900mA的电流对单节锂离子电池安全充电。此外，设计时无需考虑最坏情况下的功耗，因为LTC4059A采用了专利的热管理技术，可以在高功率条件(如环境温度过高)下自动减小充电电流。
方案二：带过流保护功能的LTC4052脉冲充电器
   LTC4052是一款全集成的脉冲充电器，用于单节4.2V锂离子/锂聚合物电池。当输入电压为5.25V并以0.8A电流进行快速充电时，LTC4052的功耗大约为280mW，而线性充电器解决方案的功耗则高达1.8W。与采用电感来获得高效率和低散热的开关充电器不同，LTC4052采用无电感设计。利用LTC4052设计的700mA至2A锂离子/锂聚合物电池充电器电路仅占70mm2 的面积，且高度低于1.7mm。通过将功耗减至最低水平，LTC4052可放宽终端设备对热设计的要求，允许采用更小的封装、更小的散热气流以及更小的PCB面积，而且能消除热点，从而无需使用散热片或风扇.

图3
LTC4052需要一个电流受限的墙上适配器，以控制充电电流的大小。它还需配备过流保护电路，以便在意外使用较高电流或墙上适配器发生故障时能提供保护。LTC4052是一款全集成的脉冲充电器，无需使用外部MOSFET或阻流二极管 (见图3)。这款独立的充电器IC具有C/10检测、充电状态指示、充电结束定时器、墙上适配器检测及过流保护等功能。LTC4052的输入电源可以是4.5V到12V，并具有1%的飘移电压精度。
总结
随着在3G手机的功能不断增加，凌特将继续推出各种创新的IC，使这些手机不仅能维持目前的外形尺寸，而且还不用牺牲性能、可靠性及电池使用寿命。

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