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无线和卫星手机的电源管理专用芯片
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Power Management IC Used In Mobile phone
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■南京航空航天大学自控系 纪宗南
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一、概述
手机和其他消费类电器一样，均要供电才能正常工作。从爱立信GF768/788型GSM数字手机和飞利浦828手机线路中看出，手机中的电源供电线路是由多块稳压器组成。而本文介绍的电源芯片MAX886/MAX888是一种具有多路输出编程电压和各种驱动能力的单片手机供电器件。
它的主要特点如下:
● 片内具有一级降压型DC-DC转换器(可编程)。效率:90%;负载电流:500mA;
● 可编程多路电源输出和不同负载功能;
● 输入电压范围宽2.7V 12V;
● 可用3 6节Nicd或NiMH电池供电，也可用1或2节Li-lon电池供电;
● 具有与串行接口兼容的I2C总线功能;
● 开关频率高，且可编选择(375KHz、535KHz、670KHz、925KHz);
● 热过载保护;
● 上电复位和启动定时器;
● 静态电流小，250 A;
● 关闭电流更小，5 A;
● 体积小(7mm 7mm);
● 32引脚TQFP封装形式。
二、工作原理
MAX886/MAX888内部功能如图1所示。从图中看出，该电路主要由一路开关电源(高效率、降压型DC-DC变换器)，四路线性电源(低压降)和一路电荷泵调节电源组成。
1.开关电源0
开关电源0是该芯片的主要电源，它是一种低噪声、高效率、降压型DC-DC变换器，它能给外电路提供一种可编程输出电压OUT0和较大的负载输出电流(500mA)。
高开关频率(925KHz)是开关电源0重要特点之一，它不仅能使输出电压纹波达到最小，而且也能使外围元件的成本和尺寸减少。高占空比(100%)是开关电源0的另一个特点，它能使开关电源芯片两端的压降尽可能低，从而延长电池供电时间。
开关电源0的输出电压OUT0为2.625V 3.75V(MAX886，并以0.075V的步长递升，共分16档电压输出)或1.527V
3.027V(MAX888，并以0.1V的步长递升，共分16档电压输出)。开关电源0的输出电压是通过串行接口编程，由DACO控制开关电源，最后从OUT0输出各种编程电压。
开关电源0的工作频率可由串行接口预先编程，并根据需要可在375KHz 925KHz范围内选择其中的一个作为开关电源0的开关频率。开关频率与编程数据的关系为表1所示。
开关电源0具有三种工作模式:即同步、PWM和PFM模式。
为了使开关电源0能正常工作，必须接规定上电，即输入电压VIND必须足够大，大得足以使开关电源进入调整状态。对于MAX886，VIND>4V;对于MAX888，VIND>2.7V。
2.线性电源
MAX886/MAX888片内具有四路线性电源，它能为手机不同芯片(SIM卡、BB、DSP和RF)提供可编程电源。
(1)线性电源1
线性电源1是一种低压降(LDO)线性调节器。它能把12V输入电压INI(由电池、OUT0或其他电源供电)转换成2.7 4.95V输出电压(对于MAX886，以0.075V的步长递升，共分16档电压)或1.25
3.50V输出电压(对于MAX888，以0.15V步长递升，共分16档电压输出)。另外，线性电源1能为外电路提供100mA的负载电流，上电复位后的输出电压OUT1为3.30V。
(2)线性电源2
线性电源2也是一种低压降的线性调节器，它不仅能为外电路提供200mA的负载电流，而且也能把5.5V的输入电压IN2(由电池、OUT0或小于5.5V的其他电源供电)转换成2.175V
3.300V输出电压(对于MAX886，以0.075V步长递升，共分16档电压)或1.527V 3.027V输出电压(对于MAX888，以0.1V步长递升，共分16档电压)。另外，线性电源2上电复位后的输出电压为3.300V，它特别适合DSP电源供电。
(3)线性电源3
线性电源3是一种低压降的线性调节器，它不仅能为外电路提供20mA负载电流，而且还能把5V输入电压IN3(由OUT3或其他5V电源供给)变换成四种输出电压(0V，2.85V，4.65V，OUT2)。当编程到0V或VOUT2时，OUT3很容易通过GND放电，使输出电压为0V，或达到OUT2，使输出为VOUT2。线性电源3特别适用SIM卡供电，它的编程输出电压如表2所示。
(4)线性电源5
线性电源5是一种低压降线性调节器，它不仅为外电路提供100mA负载电流，而且也能把5.5V输入电压IN5(由电池，OUT0或5.5V其他电源供电，变换成2.175V
3.300V输出电压(对于MAX886，以0.075V步长递升)或1.25V 3.50V输出电压(对于MAX888，以0.15V步长编程)。线性电源与上电复位后的输出电压为3.30V。
3.电荷泵电源
电荷泵电源是由电荷泵调节器4供给的，它不仅能为外电路提供100mA负载电流，而且还能把5.5V输入电压IN4(由电池、OUT0或5.5V其他电源供给)转换成5.25V输出电压。电荷泵电源对于LCD/VCO/TXCO电源供电尤为适合。
4.控制数据位
片内控制位共有8位(4位是地址位，4位是数据位)，其中4位地址位是控制各路电源，并由DAC设置电压输出。
三、外围元件选择
为了充分发挥芯片的性能，必须对芯片的外围元件进行正确选择，现对主要元件作些分析。
1.电感器
电感器选择的主要参数是电感量和电流额定值，这也是电感器计算时的重要参数。由于该芯片工作在高开关频率和宽阻抗的条件，所以电感量通常在10
H 68 H选取。
根据经验，电感器的最小电感量计算公式如(1)所示。
L_{(MIN)}={4 [V_{BATT(MAX)}-V_{OUTO}]}\over{I_{PEAX} f_{OSC} V_{BATT}/V_{OUTO}}
(1)
式中:IPEAX是电感电流的峰值，通常为0.9A。
fOSC是开关频率，可根据线路需要在375KHz，535KHz，670KHz，925KHz范围内任选一种。
当VBATT(MAX)=6V，VOUT0=3.3V，fOSC=375KHz，IPEAX=0.9A。把这些已知数值代入公式(1)，计算得到最小电感值为L(MIN)=15
H。
2.二极管
由于MAX886/MAX888的高开关频率需要高速整流管，所以推荐使用肖特基二极管，例如，IN5817-IN522系列或表面安装的MBR0520L系列。如使用反向恢复时间为50ns或更高的超高速整流管，效果更佳，这样就能保证二极管的峰值电流额定值超过峰值电流(1A)和击穿电压超过VBATT。特别在低电压应用和重载时，应选择低反向电压的肖特基二极管。
3.电容器
从实际应用电路中看出，电容器是外围电路中最多的器件，它对各种电源质量提高有着重要作用。由于等效串联电阻(ESR)是影响纹波电压的重要参数，所以对于OUT1
OUT5输出电容一般推荐使用低值ESR陶瓷电容，对于OUT0输出电容应选择质量高的钽电容。另外，随着开关频率的不同，这些电容值也要作相应的变化。
4.电阻
电阻选择主要涉及到低电池检测器的几个分压电阻，为了计算这些电阻，首先要设置门限值的滞后值，然后根据经验和计算公式进行选择和计算。
(1)R1 电阻R1通常可在500K 1.5M 进行选择。
(2)R2 电阻R2可根据公式(2)计算
R_{2}={R_{1}}\over{{V_{THR}}\over{V_{REF}}-1} (2)
(3)R3 电阻R3可根据公式(3)计算
R_{3}={R_{2}(V_{THF}-V_{REF})-R_{1} V_{REF}}\over{V_{REF}-V_{THF}}
(3)
四、应用电路
由于MAX886/MAX888能给外电路提供多路电源和不同负载功能，所以在手机和单片机控制系统中获得广泛应用，现将主要应用电路作些分析。
1.典型应用电路
由MAX886/MAX888和少量外围元件组成典型应用电路如图2所示。该电路是降压变换线路，它能把2.7 12V输入电压变换成可编程输出电压，以满足手机中各种芯片的供电要求。
该电路具有一个与串行接口兼容的I2C总线，它能控制MAX886/MAX888的接通和断开以及每个电源的输出电压，并对各种输出电压和电荷泵振荡频率进行编程。
2.高电压输入的电源管理电路
由MAX886和部分外围元件组成一种高电压输入的电源管理电路如图3所示。该电路是目前手机电源供电专用线路，通过串行接口，它能把高输入电压(4-12V)变换成6路电源输出电压。
如要关闭电源，主要决定于断电引脚OFF的状态。当OFF为低电平，则MAX886断开，所有电源停止工作。在断电过程中，无需先后次序。
3.低电压输入的电源管理电路
由MAX888和外围元件组成低电压(2.7V 5.5V)输入电源管理线路与图3比较，除掉输入电压和低电池检测器的分压电阻不同外，其他均相同。
图中的数字地(DGND)，模拟地(GND)和电源地(PGND)必须独立设置，而后再把它们连到公共的信号地平面。另外肖特基二极管的阳级，输入电容和输出电容的地线引脚尽可能靠近，这样就能避免在输出滤波电容、控制芯片MAX888和参考旁路电容间产生大电压的影响，从而进一步提高电路的稳定性和改善噪声抑制性能。
为了提高芯片内部参考电压供电质量，特在参考输出引脚REF与地间用一只0.22 F(ESR低，容量稳定的陶瓷电容)电容旁路。安装时，该电容尽量靠近芯片，通常不大于0.2英寸，这样能减少因引线过长而带来的干扰。
为了纯化输入电压，特在电源输入端用10 F和0.1 F电容并联到地，并尽量靠近BATT引脚。 |
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