智慧型手机电源管理系统的设计

智慧型手機電源管理系統的設計

作者：Jeff Falin, Texas Instruments

本文刊登於零組件雜誌2004年6月號

早期的行動電話不是體積笨重龐大，就是必頇受到汽車電池的束縛，但經過長時間的發展，今天的行動電話已變得非常輕巧，除了電話功能，它們還會做許多事。新型3.xG智慧型手機把傳統的2G行動電話和多種其它功能結合在一起，包括PDA、數位相機、音樂播放機(MP3) 以及全球定位系統(GPS)。如此多元的功能需要許多零件，其中絕大多數的電源電壓並不相同，電流需求則不斷增加，使得它們需要更多電力。圖1是從2G語音電話升級到3G視訊電話後，功率需求增加的估計值。

圖1：功耗值(資料來源：Planet Analog)

在此同時，消費者卻想要更精巧的手機。本文介紹兩種電源管理系統，它們可以協助智慧型手機設計人員在彼此衝突的目標間取得平衡，例如將封裝減至最小，同時支援更大的功率需求；實現最佳效率，讓電池提供最長的使用時間；以及將電源雜訊和漣波降至可接受水準，以支援新世代的行動電話。

選擇電池

選擇充電電池是電源管理系統設計的首要工作之一，鎳氫電池和鋰離子電池則是目前僅有的兩種實際選擇。鋰離子電池的單位體積蓄電量為270-300 Wh/l，單位重量蓄電量為110-130 Wh/kg，都高於鎳氫電池的220-300 Wh/l以及75-100 Wh/kg，因此在同樣蓄電量下，鋰離子電池的體積和重量都小於鎳氫電池；另外，鋰離子電池的3.6 V工作電壓也高於鎳氫電池的1.2 V。行動電話的多數功耗都來自於1.2 V和3.3 V電源，要讓交換式電源轉換器發揮最大工作效率，較有效的方法通常是從高電壓轉換至低電壓，而不是從低電壓轉換至高電壓，因此鋰離子電池

是最佳選擇。

要讓充電電池提供最長使用時間，適當的電池管理和控制就顯得格外重要。電池管理包含三個部份：充電控制、電池監視和電池保護。從使用外接導通元件的線性控制器開始，到內建開關元件且效率更高的交換式控制器，充電控制元件已有長足進步。電池充電器必頇處理500 mA到1500 mA範圍內的電流，以便提供快速的充電週期時間。電池監視和保護元件通常都與電池封裝在一起，電池監視元件可以是簡單的「電荷計量器」(coulomb counter)，由中央處理器負責計算電池剩餘電力；也可以是內建微控制器的電池電力量測元件(gas gauge)，由它透過DSP與處理器之間的簡單界面，直接提供剩餘電力、剩餘供電時間、電池電壓、溫度和平均電流量測值等資料。

電源供應拓樸

接著，設計工程師必頇決定電源轉換元件的種類，它或許是以電感為基礎、並且內建FET開關的交換式電源轉換器、無電感的交換式電源轉換器(電荷泵浦) 或是線性穩壓器。這些轉換器各有其優點，就效率而言，以電感為基礎的轉換器擁有最高的整體效率，其次是電荷泵浦，最後才是線性穩壓器。成本通常反比於效率，因此線性穩壓器成本最低，然後是電荷泵浦，最後則是以電感為基礎的轉換器。線性穩壓器沒有輸出漣波，電荷泵浦有一些輸出漣波，交換式穩壓器的輸出漣波則在三者之間最高。就整個解決方案的體積來看，線性穩壓器的體積最小，通常只需輸入和輸出電容，電荷泵浦除了輸入和輸出電容外，還需一顆或兩顆「飛馳」(flying) 電容，交換式穩壓器則需要電感器，因此其封裝體積會有很大差異。

無論DSP或類比數位轉換器等數位零件，或是電源管理系統等類比零件，2G電話幾乎不提供任何的功能整合，系統設計人員在發展電源管理系統時，通常會以成本和體積為優先考量，而不是轉換效率。線性穩壓器只能將輸入電壓轉換成更低的輸出電壓，因此電池電壓必頇高於3.3 V，此時可利用低電流或中電流的線性穩壓器進行電壓轉換，以便提供電力給3.0 V至2.8 V範圍內的其它電源需求。在3G晶片組中，基頻處理器現已包含DSP、微處理器／微控制器、類比數位轉換器和數位類比轉換器，用來控制射頻訊號和音頻訊號處理。這顆處理器的核心電壓已降至1.2 V或是更低，I/O和週邊電壓也開始減少至2.5 V至3.0 V範圍；由於3.xG電話的電流需求通常都超過2.G電話，3.xG設計人員需要效率高於線性穩壓器的直流電源轉換器，以便提供更長的電池使用時間。

為進一步延長電池壽命，許多設計人員必頇儘量利用鋰離子電池電力，直到其電壓降至2.7 V最小值為止；在此過程中，如何產生 3.3 V電壓就變成一項挑戰。從表面上來看，設計人員若能繼續使用電池直到2.7 V，並利用正電源降壓-升壓轉換器或是SEPIC轉換器提供3.3 V電源，可攜式裝置的電池壽命就會大幅延長，但是

根據表1針對600 mAh電池所做的簡單分析可發現情形並非如此(表1)，因為無論是採用效率更高的降壓轉換器，並將電池使用到3.3 V，或是採用SEPIC之類的轉換器，並將電池電力完全用盡，這兩種方式的供電時間幾乎沒有任何區別。

表1

除此之外，無論是使用兩顆電感的SEPIC轉換器，或是某些效率更高的新型正電源降壓-升壓轉換器，它們的成本都更高，因此在做整體評估時，只使用3.3 V以上的電池電力，然後利用高效率交換式電源轉換器提供3.3 V電源的方法不但更有效率，還可能是更具吸引力的選擇。以下介紹的離散解決方案就是使用降壓轉換器提供3.3 V電源，整合式解決方案則採用SEPIC轉換器。

系統概述

不同的智慧型手機零件有著不同的電源需求，圖2是行動電話中需要電源的主要零件簡單方塊圖，例如射頻單元的壓控振盪器(VCO) 以及鎖相迴路(PLL) 就需要

極低雜訊和很高電源拒斥比的電源，確保它們提供最高的傳送和接收效能，因此雖然線性穩壓器的效率不高，但由於它沒有輸出漣波，所以是這類電源供應的最佳選擇；同樣重要的是將直流轉換器的開關頻率，還有它們的二階和三階諧波，都保持在中頻頻帶之外。由於DSP和中央處理器的核心電壓已降至1 V左右，以電感為基礎的高效率交換式降壓轉換器是它們的理想選擇。至於螢幕背光照明所使用的白光二極體，其電源可來自電荷泵浦或電感式升壓／降壓轉換器。

圖2：智慧型手機電源方塊圖

動態電壓調整(Dynamic Voltage Scaling)

從圖1可看出，電源需求最高的兩顆零件是在射頻單元，分別是發射機的功率放大器和基頻處理器。隨著電話與基地台之間的距離不同，功率放大器在通話過程中最多消耗75%的總功耗，待命模式則只有30%。採用非線性功率放大器的舊型GSM 電話發射機的典型工作效率約為50%，但是WCDMA等較新標準卻同時需要振幅及相位調變，這只有工作效率在25%至35%之間的線性放大器可以提供。除此之外，CDMA2000 1x手機的正常基頻處理器負載需求是在60至120 mA範圍，因此提供最有效率的電源給功率放大器和處理器就顯得極為重要。

動態／可適性電壓調整技術(DVS/AVS) 與高整合度元件所使用的方式很類似，它會把閉迴路系統中的處理器和穩壓器連結在一起，並在確保系統正常工作的情形下，將數位電源供應的輸出電壓動態調整至最小值。功率放大器會被最佳化，使它在最大傳送功率下擁有最高效率。由於絕大多數手機都在基地台附近工作，手機的無線電功能會在維持通訊品質的前題下，將傳送功率降至最低水準。當功率放大器在較低的功率水準下工作時，它的效率會受到影響，從圖3可以看出，利用動態電壓調整技術來調整功率放大器的電壓，它的工作效率會增加10%至20%。

圖3：功率放大器效率

數位處理器的功耗直接正比於電壓平方，因此中央處理器也能採用動態電壓調整技術；當中央處理器進入待命模式或其它功能精簡模式，它就能在較低的時脈頻率下工作，此時可將處理器電壓降低，以便減少功耗，提升工作效率，延長電池壽命。就以OMAP1510為例，假設它的電源是由TPS62200供應，並使用1安培小時的3.6 V鋰離子電池輸入，其它特性包括：

睡眠模式(TPS62200採用PFM調變) 未用動態電壓調整：Vout = 1.5 V @ 300 μA, 效率= 93%

睡眠模式(TPS62200採用PFM調變) 使用動態電壓調整：Vout = 1.1 V @ 250 μA, 效率= 93%

正常工作模式(TPS62200採用PWM調變)：Vout = 1.5 V @ 100 mA, 效率= 96%

假設此元件95%時間處於睡眠模式，5%時間處於正常工作模式，則從輸出功率與時間的關係圖可看出，將動態電壓調整技術用於睡眠模式，電池壽命會最多延長9個小時。

離散解決方案

圖4是利用離散元件實作的電源管理系統，電池電壓限制為3.3 V。

圖4：利用離散元件實作的電源管理系統

在這個解決方案中，就算鋰離子電池下降至3.3 V左右，在100%負載週期模式下工作的高效率TPS62200降壓轉換器仍能提供3.3 V的I/O電壓。上述所有零件都採用SOT-23封裝，除了bq24020電池充電元件、TPS61020升壓轉換器以及TPS61042白光二極體驅動元件之外，它們是採用3 x 3平方釐米的QFN封裝。TPS61040和TPS61042還內建上端FET電晶體，每顆元件只需要一個外接二極體。bq24020、TPS622xx、TPS61020和線性穩壓器元件全都內建FET電晶體，功率放大器和中央處理器電源採用的動態電壓調整技術可以提高每顆零件的效率，進而協助降低功耗。

整合解決方案

最新製程技術使得工程師更容易結合、迅速修改以及／或是利用現有的離散元件設計，以便提供不同整合程度的半導體晶片，例如通用的雙通道交換式轉換器和電源拒斥比很高而雜訊很低的雙通道線性穩壓器、特殊應用白光二極體的電源供應以及行動電話、PDA和數位相機的多電源管理解決方案，這些產品都已開始供應。專門支援終端設備的電源元件則會內建各種週邊，其範圍從行動電話的響鈴器和蜂鳴器到PDA的通用I/O接腳，例如圖4整合解決方案所使用的TPS65010就是這類元件。

圖5：整合式解決方案

在此解決方案中，3.3 V I/O電源是由SEPIC轉換器提供，它讓應用系統能充份利用鋰離子電池電力，直到電池電壓降至最低水準(大約2.7 V)。和離散解決方案一樣，穩壓器輸出也來自3.3 V輸入電源，以便提高工作效率。TPS65010採用48隻接腳QFN封裝，這些元件都內建FET電晶體。TPS61130 SEPIC轉換器採用4 x 4平方釐米QFN封裝，並且內建FET電晶體，最高達到90%以上效率，TPS5100則是三通道輸出控制器，專門用來提供電源給顯示器。功率放大器和中央處理器電源使用的動態電壓調整技術可以改善每顆零件的效率，進而協助降低功耗。

離散或整合？

如何在離散或整合解決方案之間做出抉擇？一般說來，整合元件的成本會低於同樣等級的多顆離散零件；除此之外，如同圖6的電路板佈局所示，相較於執行同樣功能的多顆離散零件，TPS65010以及與其搭配的被動零件只需較少的電路板空間，這主要是因為離散零件之間需要額外空間來容納訊號線路。由於TPS65010還包含原來由離散零件提供的其它功能，例如電源供應順序、振動器和二極體驅動元件，因此整合解決方案可以節省更多電路板面積。

圖6：TPS65010與同等級離散解決方案的電路板佈比較

整合元件過去主要支援特殊應用，彈性也不是很高，因此在設計流程後期，它們就無法再進行重大的設計變更。然而新的製程技術，包括支援可程式輸出電壓以及封裝後調整的整合式EEPROM，卻使得工程師能以更低成本，更簡單快速的對現有元件(也就是不同固定輸出電壓的元件) 重複進行簡單修改。另一方面，整合元件的供應商通常只有一家，這可能迫使廠商必頇採用離散解決方案。

未來挑戰

消費者想要操作時間更長的智慧型手機，新發展的半導體製程技術已能減少洩漏電流和阻抗(有時透過銅覆蓋層)，使得FET電晶體的靜態電流更低，導通阻抗也變得更小，例如內建FET電晶體的TPS6222x 400 mA降壓轉換器就採用SOT-23封裝，峰值效率將近93%。然而不同於持續進步中的半導體技術，電池技術卻沒有任何重大進展，無法在不增加電池體積的情形下延長供電時間。

電容器技術的某些進展使得充電電池和電容器之間的界限日益模糊，許多可攜式產品已開始使用高能量超級電容器(super capacitor)，做為消費者更換電池時的暫時電力來源；另外，高能量暨高功率的超高電容器(ultra capacitor) 還能在短時間內提供很大電流，讓電池不必瞬間供應龐大電力，這可以延長電池的使用時間。這些超高電容器會整合至電池封裝內，並在系統電力需求不太高時，利用微小電流充電。燃料電池近來是熱門話題，但由於外形包裝尚未標準化，使得燃料電池的廣泛應用受到影響，商業化過程也不太順利。燃料電池的輸出暫態響應也很糟糕，因此至少在最初階段，燃料電池只會做為普通電池的補強裝置，無法完全取代普通電池。

消費者還希望產品的體積更小，功能更加強大，創新的電源管理元件設計以及封裝和製程技術的進步都能幫助實現此目標。日益精密的製程技術可以製造出越來越小的FET電晶體，讓晶粒和封裝的體積更小，工作電壓更低，閘極電容更少，使得電晶體的開關速度更快- 對於以電感為基礎的交換式電源供應，更快的開關速度意味

著更小的電感。新封裝技術則能在更小的封裝中容納更多功能，並且承受更大的功耗，例如內建FET開關的鋰離子電池線性充電元件bq24010就採用3 x 3平方釐米的QFN封裝，它在普通室溫環境下，最高能承受1.5 W功耗。

要在較低的工作電壓下提供更強大功能，電源管理單元和低雜訊佈局的容忍要求通常也會變的更嚴格，例如系統若要求1.2 V電源的誤差小於±3%，就表示輸出電壓變動幅度不能超過±36mV；相形之下，使用3.3 V電源就表示在同樣的±3%誤差限制下，它能容忍的電壓變動高達±99 mV。由於電源電壓不斷降低，未來幾年內對於誤差更小、電流更大、效率更高和電磁干擾極低的直流電源轉換器的需求將會增加。除此之外，隨著封裝縮小，可供散熱的面積也會減少，讓這些高功耗元件的熱管理繼續成為困難挑戰。

整合的力量

本文介紹的電源解決方案使用不同整合程度的電源元件。把部份或全部的類比電源元件和基頻處理器等數位零件整合在一起會帶來許多優點，包括節省更多的電路板面積，並且降低總成本。複雜電子系統的每個部份都有著不同的需求，這是過去實現更高階數位和類比零件整合的障礙之一，例如數位基頻單元需要高密度製程以支援數位訊號處理，類比基頻和電源功能需要電壓更高的元件；射頻單元，特別是鎖相迴路，則需要最適合支援高頻操作的BiCMOS元件。傳統上，製程發展是由數位設計人員負責管理，他們通常只會推動高密度製程發展，電路若需要高電壓元件，就必頇採用不同製程，這表示他們需要獨立的數位元件。半導體廠商不但開始發展「最小閘極長度」更短的BiCMOS製程，以便提供很高的元件密度和工作速度，還有更高電壓的汲極延伸型元件(drain extended devices)，它們已用於更多的類比和電源應用。包括電源管理在內的許多類比和數位功能最後都會整合成單顆晶片。

結論

不同程度的元件整合正在簡化可攜式電源設計，尤其是可攜式產品的系統設計人員，他們不必再擔心元件的電源需求管理，整合程度不同的電源管理元件可以幫助他們讓電池提供最長供電時間，同時將電路板面積和成本減至最少。