智能手機電源管理IC簡介

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智能手機電源管理IC簡介

目前，在大多數智能手機中都有一個電源管理IC（PMIC），或者稱為電源管理單元（PMU）。是一種特定用途的集成電路，其功能是為主系統作管理電源等工作。PMU承擔著大部分供電任務和一些其他單元功能，如接口或音頻。一些占市場主導地位的模擬半導體廠商提供PMU的定制、半定制和/或標準器件。一個電源管理IC示例的結構如圖所示。

1.低壓差線性穩壓器
大多數智能手機中，一般會用到5～12個獨立的低壓差線性穩壓器（LDO），LDO的數量如此之多并不代表終端內部存在同樣多數量的電壓規格，而是由于LDO還被當作具有一定電源抑制比（PSRR）的ON/OFF（導通/關斷）開關來阻止噪聲耦合。大多數LDO集成在PMU內部，但仍有時使用個別分離的LDO，這主要是考慮到PCB的布局/布線，一些特殊元件（如壓控振蕩器）對噪聲過于敏感，或者用來驅動一些非標單元例如集成數碼相機等。
一直以來，SOT-23封裝的150mALDO是這些離散（分離的）電源的最佳選擇。目前，一些最新面世的IC采用新型封裝、新型亞微米處理工藝和先進的設計方案，能夠以更小的尺寸提供更高的性能。現在可以獲得SOT-23封裝單個300mALDO或兩路150mALDO的器件，或者微型SC-70封裝獲得單個120mALDO，兼有標準版和超低噪聲（RMS值10μV、85dBPSRR）版的器件。此外，更為先進的晶片級封裝（UCSP?）提供了最大可能的細小尺寸，而QFN封裝則允許在3mm×3mm面積的塑料封裝中裝入最大的晶片尺寸，同時又提供更高的熱傳導能力。QFN封裝可實現更高電流的LDO，和在每個封裝內封裝更多數量的LDO，其中可包含3～5個LDO，這就縮小了分離式方案和PMU之間的差異。
電源管理已日益成為一個戰略性的競爭優勢，特別是在通信、計算以及工業應用等領域。隨著FPGA和SoC的不斷發展，設計人員在下一代嵌入式系統中增加了大量混合信號功能，實現了以前無法企及的系統級性能。

2.用于處理器核的降壓型（Buck）轉換器
LDO具有簡單、小尺寸等特點，其主要缺陷是效率較低，特別是為低壓電路供電時效率問題更加突出。由于在新一代智能手機內部集成了PDA功能或互聯網功能，要求處理器的數據處理能力、運算能力更加強大，為了降低功耗，處理器的內核電壓不斷降低，從1.8V降到了0.9V。為了降低電池損耗，應采用高效的降壓型轉換器為處理器內核供電。設計中需要考慮的主要因素有低成本、小尺寸、高效率、低靜態（待機）電流和快速瞬態響應。為解決上述問題不僅需要豐富的模擬設計經驗，還需要一定的獨創能力。就目前來說，只有少數幾家領先的模擬半導體制造商能夠提供適當的、SOT-23封裝、具有1MHz以上開關頻率、允許選用微型外部電感和電容元件的降壓型轉換器。

3.為RFPA（射頻功率放大器）供電的降壓型（Buck）轉換器
Buck轉換器通常還被用于驅動CDMA射頻功率放大器（PA），它會隨著終端與基站之間距離的改變動態調節功率放大器的VCC電源電壓。考慮了發送概率密度函數后，Buck轉換器平均可節省40～65mA的電池電流。具體節省電流的數量取決于輸出電壓的級數、PA的特性，以及是在城區還是郊區發送語音或數據。
設計要求這種Buck轉換器具有非常小的尺寸、低成本、低輸出紋波和高效率等特點。SOT-23封裝的轉換器再次成為優選方案。為保持盡可能低的壓降，通常采用一個分離的低RDS（ON）P溝道MOSFET，在高發送功率時直接由電池驅動功率放大器。為了進一步減小總體尺寸，最新的降壓轉換器集成了這個附加的FET。

4.LED驅動
在帶有彩色顯示屏的智能手機中，白色LED因其電路簡單和非常高的可靠性現已成為背光應用中的主流。新一代智能手機一般使用3或4個白色LED在主顯示屏中，兩個白色LED在副顯示屏中（折疊式設計），還有6個或更多白色或彩色LED在鍵盤的背面。如果集成有相機的話，還至少需要4個白色LED用于閃光燈/頻閃和MPEG影像照明。這樣，在一個手機內總共用到了16個甚至更多個LED，它們全部都需要恒流驅動。
目前，大多數設計中采用基于電感的升壓轉換器來獲得更高的轉換效率。新推出的1倍/1.5倍壓電荷泵可以獲得同樣高的效率，而且省去了外部電感，只是與LED連接時需要許多引線。由于LED電源的市場非常大，不可勝數的IC被設計出來用于此目的。設計中需要考慮的因素包括高效率、小尺寸外部元件、低輸入紋波（防止噪聲耦合到其他電路）、簡單的調光接口，以及其他一些有利于降低成本或增加可靠性的特性，例如輸出過壓保護。
一些PMU包括有白色LED電源，但通常不能驅動多個顯示器或相機的頻閃，而且可能存在效率低或開關速度過慢的問題。這就要求大尺寸的電感和電容，并產生很大的輸入紋波。很多設計中常常需要采用一個分離的LED電源驅動IC與PMU配合工作，或直接選用高集成度的分離方案。

5.電池充電和管理IC
幾乎所有手機都使用簡單的線性充電器為3節NiMH電池或1節鋰電池充電。很多情況下該充電器被集成到PMU內，不過，為了簡化設計，檢流電阻和調整管還是在外部。為了保證熱耗散在容許范圍內有許多措施可以選擇：
（1）以C/4或更慢的速率充電；
（2）讓適配器具有一定的阻性，使大部分電壓降落在它上面；
（3）選用脈沖充電方式和限流型適配器；
（4）利用反饋調節適配器使調整管上的壓差保持恒定；
（5）增加一個恒定熱量控制環路，通過節制充電電流來保持恒定的晶片溫度，這種方式只有在調整管置于PMU內部時才可用。
分離式充電IC具有很多靈活性，但在智能手機中這種優勢大打折扣，因為集成式充電器很容易通過PMU的串行接口重新編程設置，使其適應不同的電池化學類型或容量。

PMIC的主要功用為控制電量流量及流向以配合主系統需要。在多個電源(例如，外部真流電源、電池、USB電源等)，選取、分配電力給主系統各部分使用，例如提供多個不同電壓的電源，并負責為內部電池充電。因為使用的系統多以電池為電源，其多使用高轉換效率的設計，以減少功率損耗。電源管理芯片的應用范圍十分廣泛，發展電源管理芯片對于提高整機性能具有重要意義。

電源適配器