3G手機(jī)電源管理的設(shè)計(jì)趨勢(shì)

不斷增多的功能使手機(jī)設(shè)計(jì)面臨更嚴(yán)峻的電源管理挑戰(zhàn)。本文從電壓轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓、閃光燈電路、電池充電等方面分析了未來(lái)手機(jī)的電源管理設(shè)計(jì)趨勢(shì)和各種相應(yīng)的解決方案。

3G手機(jī)不僅可以瀏覽網(wǎng)頁(yè)、發(fā)送電子郵件、拍攝數(shù)碼相片，甚至能播放視頻流。手機(jī)制造商正面臨越來(lái)越大的壓力，因?yàn)樗麄儽仨毎堰@些功能集成進(jìn)不斷縮小的體積內(nèi)，同時(shí)要讓手機(jī)維持較長(zhǎng)的工作時(shí)間。

圖1

從圖1可以看出，不斷增多的功能促使手機(jī)需要更多不同功率水平的低電壓輸出電平。一個(gè)例子是用于圖像處理的應(yīng)用處理器，它在視頻捕獲期間需要高達(dá)360mw的功率。在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，手機(jī)內(nèi)部系統(tǒng)的負(fù)載所需的峰值功率通常將超過4W。這么高的功率會(huì)很快耗盡電池的能量。影響電池運(yùn)行時(shí)間的另一重要因素是電源效率和系統(tǒng)電源管理。

低電源轉(zhuǎn)換效率將導(dǎo)致發(fā)熱。這種熱量是因?yàn)殡妷赫{(diào)節(jié)器在能量轉(zhuǎn)換過程中的功率損失而產(chǎn)生的。但手機(jī)中沒有用于冷卻的風(fēng)扇或散熱片，而只有密集封裝的印制電路板。因此沒有任何通道可讓熱量散出。這些熱量會(huì)縮短電池壽命，并降低產(chǎn)品的可靠性。

由于電壓轉(zhuǎn)換期間會(huì)產(chǎn)生熱量，業(yè)界需要重新考慮應(yīng)該采用何種穩(wěn)壓器。目前，制造商正在采用開關(guān)調(diào)節(jié)器取代簡(jiǎn)單但低效的線性低壓降(LDO)穩(wěn)壓器，因?yàn)殚_關(guān)調(diào)節(jié)器具有更高的效率。

對(duì)于可滿足手機(jī)內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換需求的不同電壓穩(wěn)壓器，我們必須認(rèn)真考慮它們的優(yōu)缺點(diǎn)(見表1)。目前有三種選擇：線性LDO穩(wěn)壓器、無(wú)電感型開關(guān)穩(wěn)壓器(亦稱為充電泵)以及傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓器(基于電感器) 。

線性LDO穩(wěn)壓器被認(rèn)為是最簡(jiǎn)單的方案，它只能將輸入電壓轉(zhuǎn)換到更低的電壓。它最顯著的缺點(diǎn)是熱量管理，因?yàn)樗霓D(zhuǎn)換效率接近于輸出電壓與輸入電壓的比值。例如，一個(gè)LDO的輸入端是標(biāo)稱為3.6V的單單元鋰離子電池，它在輸出電流為200mA時(shí)提供1.8V的輸出電壓，以驅(qū)動(dòng)圖像處理器。那么，它的轉(zhuǎn)換效率只有50%，因此它會(huì)在手機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生熱點(diǎn)，同時(shí)會(huì)縮短電池使用時(shí)間。

開關(guān)穩(wěn)壓器可避開所有線性穩(wěn)壓器的效率缺點(diǎn)。通過使用低阻抗開關(guān)和磁存儲(chǔ)組件，開關(guān)穩(wěn)壓器的效率能達(dá)到96%，從而顯著減少轉(zhuǎn)換過程的功率損耗。由于工作在非常高的開關(guān)頻率(大于2MHz)，這可以減小外部電感和電容的尺寸。開關(guān)穩(wěn)壓器的缺點(diǎn)比較少，而且能夠通過良好的設(shè)計(jì)技術(shù)加以克服。

介于線性穩(wěn)壓器與傳統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)壓器之間的是充電泵。在充電泵中，外部?jī)?chǔ)能元件是電容而不是電感。由于沒有電感，它可以減輕潛在的電磁干擾問題，以免影響敏感的RF接收器或藍(lán)牙芯片組。充電泵的缺點(diǎn)是有限的輸入輸出電壓比以及有限的輸出電流能力。

拍照功能引發(fā)的挑戰(zhàn)

許多3G手機(jī)都能拍照甚至傳送視頻流。不過，當(dāng)消費(fèi)者開始接受這些內(nèi)置相機(jī)的手機(jī)時(shí)，他們要求擁有更高質(zhì)量的攝像能力。業(yè)界已經(jīng)準(zhǔn)備采用改進(jìn)的圖像傳感器和光學(xué)系統(tǒng)，但工程師要特別關(guān)注高質(zhì)量的 “閃光” 照明。閃光燈是獲得良好攝像性能的關(guān)鍵，但當(dāng)你準(zhǔn)備在結(jié)構(gòu)緊湊的3G手機(jī)上實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)功能時(shí)必須謹(jǐn)慎考慮。

對(duì)于兩百萬(wàn)像素照相手機(jī)，內(nèi)置閃光燈的尺寸和性能是系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要考慮的兩個(gè)關(guān)鍵因素?，F(xiàn)在，閃光照明有兩種實(shí)際選擇：白光LED(發(fā)光二極管)和閃光燈。表2比較了LED與閃光燈的性能。LED的優(yōu)勢(shì)是具有連續(xù)工作能力，而且只需要低密度的支持電路。

然而，閃光燈擁有一些對(duì)高質(zhì)量攝像特別重要的特性。它的線源光輸出是點(diǎn)源LED的數(shù)百倍，因而可以在大范圍內(nèi)產(chǎn)生密集且容易發(fā)散的光線。此外，閃光燈的色溫是5500°K至6000°K，這非常接近自然光，從而消除了白光LED在藍(lán)光峰值輸出時(shí)所需的色彩校正。

大多數(shù)設(shè)計(jì)師希望擁有氙閃光燈的性能，但他們必須保證電路尺寸和復(fù)雜度不會(huì)對(duì)方案的具體實(shí)現(xiàn)造成負(fù)面影響。要更好地理解與此任務(wù)相關(guān)的設(shè)計(jì)困難，設(shè)計(jì)師必須仔細(xì)考慮閃光燈的物理尺寸和操作以及為了確保它安全、正確地工作所需的支持電路。

閃光燈及其支持電路

閃光燈通常是一個(gè)充滿氙氣的圓柱形玻璃管，其陽(yáng)極與陰極都直接與氙氣接觸，而沿?zé)艄芡獗砻娣植嫉挠|發(fā)電極則不與氙氣接觸。氣體擊穿電壓一般是在幾千伏范圍內(nèi)。一旦發(fā)生擊穿，燈阻抗會(huì)下降到1W以下，此時(shí)流過擊穿氣體的高電流就會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的可見光。

閃光燈由觸發(fā)電路和一個(gè)可產(chǎn)生高瞬態(tài)電流的儲(chǔ)能電容控制。工作時(shí)，閃光電容器一般被充電至300V。最初，電容器不能放電，因?yàn)殚W光燈處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。但當(dāng)觸發(fā)電路接到命令后即會(huì)給燈施加數(shù)千伏的高壓，于是燈被擊穿，從而使電容器放電。對(duì)閃光重復(fù)率的主要限制是燈能否安全散熱。第二個(gè)限制是充電電路給閃光電容器充滿電所需的時(shí)間。根據(jù)目前的輸入功率、電容值及充電電路特性，充電時(shí)間一般在1到5秒之間。

閃光電容器充電器基本上是一種具有某些特殊能力的變壓器耦合升壓轉(zhuǎn)換器。當(dāng)其 “充電” 控制線為高電位時(shí)，穩(wěn)壓器同步內(nèi)部功率開關(guān)，使升壓變壓器產(chǎn)生高電壓脈沖。然后，這些脈沖再經(jīng)整流和濾波，產(chǎn)生300V的直流輸出，其轉(zhuǎn)換效率高達(dá)80%。

一種可滿足以上所有技術(shù)及性能要求的完整閃光燈電路。通過利用LT3468-1(一款采用SOT-23封裝的閃光電容器充電器)，該解決方案可提供適合3G手機(jī)的緊湊外形。

圖2

圖2左上方是電容器充電電路。一個(gè)肖特基二極管(D2)用來(lái)安全箝位T1引起的反向瞬態(tài)電壓。升壓變壓器T2用來(lái)產(chǎn)生高電壓觸發(fā)脈沖。假設(shè)C1被完全充電，那么當(dāng)Q1～Q2使Q3導(dǎo)通時(shí)，C2將電流儲(chǔ)存進(jìn)T2主端。然后，T2副端將高壓觸發(fā)脈沖提供給閃光燈，使其電離并導(dǎo)電。C1通過閃光燈放電，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)光。整個(gè)電路占位面積小于400mm2且高度不超過6mm (包括閃光燈在內(nèi))。