无线设备的功率管理技术


今天的大部分蜂窝和手持设备由单节锂离子电池供电。功率管理IC可解决电源电压(2.7到4.2V)与信号处理IC的工作电压(1到3.5V)之间的转换。除某些特殊情况外，这些功率管理IC大部分也是低压器件。如此低的工作电压，加之器件在长期待命状态时必然处于低静态电流下，从而使低压CMOS(目前的工艺为最小0.5um)成为无线电压调节器的最主要的生产工艺。由于在这些设备中空间是最主要的考虑因素，因而电压调节器都采用极小的封装，从带引脚或无引脚的器件，到"芯片级"器件。


蜂窝电话


在今后数年内，蜂窝电话仍将是占主导地位的无线设备，其比例将占到总数的95%。图1为按Sony EricssonTM最近发布的2.5G数字移动电话T68的典型框图。

在该图中，每个方块中的设备要求的电源有所不同(图1)。射频设备对噪声特别敏感，最好采用低噪声的线性调节器，而其它设备则可采用线性或开关调节器，具体情况视结构要求或成本限制而定。

图2所示为图1中结构可能采取的策略。由于LDO的输出电压(2.5V)低于最低工作电池电压(2.7V)，因而可直接利用电池来为音频LDO供电。余下的LDO输出电压会分布在电池电压范围(2.7至4.2V)内，因而需要更高的电源电压，在这种情况下需要升压转换器。1V的DSP内核需要专门的降压转换器，而20V的LCD显示屏则相反，需要专门的升压转换器。

图3为功率管理系统的框图。在这种情形下，为该设备供电总共需要7个电压调节器。

最后，我们列出了按功能分类的可选芯片，从中可得到图4中的各个元件。


无线和手持设备


许多公司逐渐介入无线和手持设备领域，并开始共享蜂窝市场。图5所示为以最近发布的PalmTM i705为代表的2G无线手持设备的框图。

此处再次表明每个模块均需要特定的电源，但由于在这种情况下不存在DSP和SIM卡，功率管理比上种情形较为简单。我们在图5中给出了为手持功率管理器件选定的策略。而图7则给出利用5个调节器实现这种策略的方法。


充电

蜂窝电话和手持设备的其它重要元件还包括外部AC适配器和内部充电器。市场上的许多AC适配器都是基于变压器、桥路整流器和电阻性限流器的简单装置。利用所列出的集成控制器可实现更复杂的控制功能。

锂离子充电器是一种恒流/恒压调节器，它或者通过专门的控制器实现，或者由一个CPU控制的PWM电路来实现。


保护和电量测量


无线手持产品设计中还需考虑的另一重要事项为电池内的电子器件，即锂离子电池中的功率管理部分。锂离子电池的能量密度使电池电子器件成为危险因素，因而在充电和相关处理时需要非常精确的协议，以防止过充电和欠充电的情况，因为这些情况会降低能量储备。因此，要保护这些电子器件必须测量电池电压，一旦超过充电电压阈值时便打开通路晶体管。

电量测量能显示电池电荷的状态，并预测电池模式的剩余工作时间。这是一个非常有趣而又富有挑战的特性，对用户而言，剩余时间仅在电池电荷接近耗尽时才有意义，而此时的预测精度已开始下降。事实上，无论测量系统有多精确，工作剩余时间实际上对应于一定量的剩余电荷，这种对应关系决定了系统的精确程度，当电池接近耗尽状态时预测误差将有所增加。当采用模拟前端放大器及10位或更高阶A/D转换器来监测小型感应电阻上的微伏级压降时，电流测量或电量计算会达到非常高的精度。

目前，2G至2.5G过渡产品的行数据处理实际上都是在中央处理器中进行的。对于智能电话及3G以上的产品我们将采用DSP及后续产品来实现这一功能，即电池电量测量的数据处理将不再是集中化，这样智能电量测量装置将包括紧凑型8位微控制器。图7是一个将电量测量和保护功能集成一体的控制IC的示意图，而飞兆双MOSFET FDW2508D用作保护部分的通路晶体管。


蜂窝电话及手持设备的融合


通过分析图1及图4的方块图可以看出，这两个系统非常相似。它们均采用了相同的射频技术和频率范围，在与其它设备的互连上均采用了蓝牙技术，将单个锂离子电池作为电源。事实上，这两个系统的不同之处更明显。只有蜂窝电话中有DSP，这是最主要的区别之处，也是进行语音处理的器件。此外，就是尺寸不同。手持设备则需较大的显示屏和容量更大的存储器(操作系统和电话薄及文件存储采用闪存，临时数据存储则使用SRAM)，还有用于音乐播放器(MP3)的立体声音频电路。

现在市场上已开始出现一些智能电话，即具有DSP的手持设备。其中一种是VoiceStreamTM出品的Blackberry 5810，这是一种手持PC，通过一个2.5mm插孔连接的声控模块，它就可用作蜂窝电话。

正如文章开始时指出的那样，这些挑战性问题一部分是技术性的(智能电话能否提供蜂窝电话用户所惯用的待机及通话时长)，一部分是文化性的。


未来架构


在3G产品中，蜂窝电话和智能电话的系统复杂性将使得一个DSP不能支持视频和音频的压缩，还需要额外的DSP或ASIC。但这样做又会增加功耗，缩短电池使用时间。自适应计算设备，即ACM是新一代IC，它通过灵活的架构优化软件和硬件资源以解决功耗问题。


结论


无线设备中的功率管理是一个普遍存在的难题，它需要考虑信号及电源路径中的所有元件。目前业界也在尝试采用ACM等新架构及从大块CMOS转为绝缘体表硅(SOI)等方法。同时，还需要更新、更强大的电源，可能是电量单元，来提供更高的功率密度而保持外形尺寸不变。所有技术应该在不影响性能的情况下提供更多的功能特性。