智能電話設計中的子系統電源管理

當今電子產品中要加入的功能越來越多，各功能對電源的需求也各不相同，因此推動了電源管理技術的發展。例如集成無線設備的代表智能電話便結合了多種功能于一身，包括蜂窩電話、PDA、數碼相機、音樂播放器及全球定位系統(GPS)，各子系統都會對電源提出不同的要求。本文將討論先進智能電話設計中在子系統電源管理方面應考慮的因素。

先進的智能電話系統(配有手機和AC適配器/充電器)由五個主要電路板組成：顯示板、基帶主板、按鍵板、鋰離子電池板及AC適配器板，同時它還要為數碼相機、藍牙或其它功能提供附加模塊。相應地，電源管理也分成五個子系統。我們將從電源管理芯片的角度分析這些子系統，其中包括集成電路和分立器件如LED。這些子系統分別是(圖1)：

圖1

1) 顯示板上的LED驅動器IC及四個白光LED

2) 按鍵板上的LED驅動器及八個白光或藍光LED

3) 主板上的電源管理IC

4) 電池組中的鋰離子保護電路和電量測量IC及MOSFET

5) AC適配器板中的離線控制IC

顯示板子系統

單色顯示器的背光可由不同顏色LED組成，一般都是采用四個相同顏色的LED燈，而智能電話的彩色薄膜晶體管(TFT)液晶顯示器(LCD)僅需要白色背光。白光LED二極管的正向導通電壓較低，約為2.7V，只需簡單的DC電流即可發光。因此，電壓為3.1V的DC電源VDD必須為這些器件施加偏壓。由于偏置電壓低，所以四個LED可直接使用單個鋰離子電池供電，而鋰離子電池恰好也是蜂窩電話的供電源。單片四LED驅動器(如飛兆半導體的FAN5613)采用微型MLP 8引腳封裝，可為每個二極管提供40mA偏置電流(圖2)。由于長時間電流控制會影響色彩的一致性，因此可通過開關引腳，采用脈寬調制電源激勵LED，以增強色彩的逼真度。

圖2

按鍵板子系統

與顯示板的配置類似，按鍵板也是采用LED燈照明，并通常使用八個白光或藍光LED。如果使用藍色背光，可用八個QTLP601C-EB InGaN/藍寶石表面安裝LED，并由兩個FAN5613 LED驅動器驅動。

主電路板

絕大多數電子元器件都集中在主電路板上，從基帶DSP、應用MCU到收發器及模擬接口。其中，每個模塊均由專用穩壓器供電。隨著智能電話的復雜度不斷增加，對電源管理的要求也愈發嚴格。要達到這個要求，可采用基帶處理器內的“電源管理器”，通過邏輯信號與外界進行通信。在電源方面，穩壓器可以接收邏輯信號并執行相應的操作。

在某些情況下，所有穩壓器要求通過直接邏輯信號就可進入低功耗操作、休眠模式或關機模式。而另外在為基帶處理器供電時，電源管理則變得更加復雜，需要電壓源隨所處理任務的變化而改變，并提供剛好足夠所需要的功率，不多不少。這種情況下，穩壓器需要與D/A轉換器及串行總線耦合，以便與主微控制器進行通信。盡管這種技術聽起來有些不尋常，但這樣的電源管理方案在筆記本電腦及其它一些電池供電的設備中卻很常見，并早就超過了智能電話今日才達到的復雜性，筆記本電腦所采用的電源管理方案目前廣為采用的包括英特爾的Speedstep及AMD的PowerNow。

圖3

圖3是主電路板分布式電源管理方案結構，該方案將簡單的降壓轉換器、SMBus串行至并行接口組合在一起，讓CPU能以5位D/A轉換器分辨率驅動Vcore電源。開關與線性穩壓器結合，可在簡單與高性能之間取得最佳平衡，并通過一個專用邏輯引腳即能關閉所有器件。

電池子系統

電池組內的電源管理主要包括鋰離子電池保護電路、電量測量IC及MOSFET。保護電路可測量電池電壓，一旦發現超出充電閾值即打開旁路晶體管。電量測量可用于顯示電池充電的狀態，預測電池供電操作的剩余時間(圖4)。

圖4

AC適配器

AC適配器板可進行AC線路整流，將電壓降至可由主電路板控制的直流低電壓，或直接轉換為單個鋰離子電池所需的恒定電流/電壓充電算法(此時它既作為適配器又起著充電器的作用)，只在前者情況下主電路板上才需要充電電路。圖5顯示了單個鋰離子電池AC適配器/充電器電路，它基于離線開關結構，可達到最佳工作效率。在這個例子中，高壓產品FSDH0165直接通過AC線路供電，并集成了功率DMOS晶體管以降低復雜度。

圖5

本文結論

如今的移動電話所采用的電源管理通常分為五個主要子系統，每個系統具有各自的集成特性。主電路板需要很多低壓電源，因此集成度較高；與之相反，AC適配器(或適配器/充電器)需要高壓(600-800V)及相對于低壓側的流電隔離；按鍵板和顯示器板可采用相同的技術，即LED和LED驅動器；而電池組內的電路則是另一個獨特的區域，需要真正的混合信號技術進行電量測量和保護。

作者：Reno Rossetti

電腦運算企業策略總監

王藹倫

亞太區接口及邏輯部產品事務經理

飛兆半導體