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智能手機(jī)電源管理IC簡介

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智能手機(jī)電源管理IC簡介

目前，在大多數(shù)智能手機(jī)中都有一個(gè)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(tǒng)作管理電源等工作。PMU承擔(dān)著大部分供電任務(wù)和一些其他單元功能，如接口或音頻。一些占市場主導(dǎo)地位的模擬半導(dǎo)體廠商提供PMU的定制、半定制和/或標(biāo)準(zhǔn)器件。一個(gè)電源管理IC示例的結(jié)構(gòu)如圖所示。

1.低壓差線性穩(wěn)壓器
大多數(shù)智能手機(jī)中，一般會(huì)用到5～12個(gè)獨(dú)立的低壓差線性穩(wěn)壓器（LDO），LDO的數(shù)量如此之多并不代表終端內(nèi)部存在同樣多數(shù)量的電壓規(guī)格，而是由于LDO還被當(dāng)作具有一定電源抑制比（PSRR）的ON/OFF（導(dǎo)通/關(guān)斷）開關(guān)來阻止噪聲耦合。大多數(shù)LDO集成在PMU內(nèi)部，但仍有時(shí)使用個(gè)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(qū)動(dòng)一些非標(biāo)單元例如集成數(shù)碼相機(jī)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(jìn)的設(shè)計(jì)方案，能夠以更小的尺寸提供更高的性能?，F(xiàn)在可以獲得SOT-23封裝單個(gè)300mALDO或兩路150mALDO的器件，或者微型SC-70封裝獲得單個(gè)120mALDO，兼有標(biāo)準(zhǔn)版和超低噪聲（RMS值10μV、85dBPSRR）版的器件。此外，更為先進(jìn)的晶片級封裝（UCSP?）提供了最大可能的細(xì)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(shí)又提供更高的熱傳導(dǎo)能力。QFN封裝可實(shí)現(xiàn)更高電流的LDO，和在每個(gè)封裝內(nèi)封裝更多數(shù)量的LDO，其中可包含3～5個(gè)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(gè)戰(zhàn)略性的競爭優(yōu)勢，特別是在通信、計(jì)算以及工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域。隨著FPGA和SoC的不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)人員在下一代嵌入式系統(tǒng)中增加了大量混合信號功能，實(shí)現(xiàn)了以前無法企及的系統(tǒng)級性能。

2.用于處理器核的降壓型（Buck）轉(zhuǎn)換器
LDO具有簡單、小尺寸等特點(diǎn)，其主要缺陷是效率較低，特別是為低壓電路供電時(shí)效率問題更加突出。由于在新一代智能手機(jī)內(nèi)部集成了PDA功能或互聯(lián)網(wǎng)功能，要求處理器的數(shù)據(jù)處理能力、運(yùn)算能力更加強(qiáng)大，為了降低功耗，處理器的內(nèi)核電壓不斷降低，從1.8V降到了0.9V。為了降低電池?fù)p耗，應(yīng)采用高效的降壓型轉(zhuǎn)換器為處理器內(nèi)核供電。設(shè)計(jì)中需要考慮的主要因素有低成本、小尺寸、高效率、低靜態(tài)（待機(jī)）電流和快速瞬態(tài)響應(yīng)。為解決上述問題不僅需要豐富的模擬設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，還需要一定的獨(dú)創(chuàng)能力。就目前來說，只有少數(shù)幾家領(lǐng)先的模擬半導(dǎo)體制造商能夠提供適當(dāng)?shù)?、SOT-23封裝、具有1MHz以上開關(guān)頻率、允許選用微型外部電感和電容元件的降壓型轉(zhuǎn)換器。

3.為RFPA（射頻功率放大器）供電的降壓型（Buck）轉(zhuǎn)換器
Buck轉(zhuǎn)換器通常還被用于驅(qū)動(dòng)CDMA射頻功率放大器（PA），它會(huì)隨著終端與基站之間距離的改變動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)功率放大器的VCC電源電壓。考慮了發(fā)送概率密度函數(shù)后，Buck轉(zhuǎn)換器平均可節(jié)省40～65mA的電池電流。具體節(jié)省電流的數(shù)量取決于輸出電壓的級數(shù)、PA的特性，以及是在城區(qū)還是郊區(qū)發(fā)送語音或數(shù)據(jù)。
設(shè)計(jì)要求這種Buck轉(zhuǎn)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(diǎn)。SOT-23封裝的轉(zhuǎn)換器再次成為優(yōu)選方案。為保持盡可能低的壓降，通常采用一個(gè)分離的低RDS（ON）P溝道MOSFET，在高發(fā)送功率時(shí)直接由電池驅(qū)動(dòng)功率放大器。為了進(jìn)一步減小總體尺寸，最新的降壓轉(zhuǎn)換器集成了這個(gè)附加的FET。

4.LED驅(qū)動(dòng)
在帶有彩色顯示屏的智能手機(jī)中，白色LED因其電路簡單和非常高的可靠性現(xiàn)已成為背光應(yīng)用中的主流。新一代智能手機(jī)一般使用3或4個(gè)白色LED在主顯示屏中，兩個(gè)白色LED在副顯示屏中（折疊式設(shè)計(jì)），還有6個(gè)或更多白色或彩色LED在鍵盤的背面。如果集成有相機(jī)的話，還至少需要4個(gè)白色LED用于閃光燈/頻閃和MPEG影像照明。這樣，在一個(gè)手機(jī)內(nèi)總共用到了16個(gè)甚至更多個(gè)LED，它們?nèi)慷夹枰懔黩?qū)動(dòng)。
目前，大多數(shù)設(shè)計(jì)中采用基于電感的升壓轉(zhuǎn)換器來獲得更高的轉(zhuǎn)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(shí)需要許多引線。由于LED電源的市場非常大，不可勝數(shù)的IC被設(shè)計(jì)出來用于此目的。設(shè)計(jì)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(diào)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(hù)。
一些PMU包括有白色LED電源，但通常不能驅(qū)動(dòng)多個(gè)顯示器或相機(jī)的頻閃，而且可能存在效率低或開關(guān)速度過慢的問題。這就要求大尺寸的電感和電容，并產(chǎn)生很大的輸入紋波。很多設(shè)計(jì)中常常需要采用一個(gè)分離的LED電源驅(qū)動(dòng)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(jī)都使用簡單的線性充電器為3節(jié)NiMH電池或1節(jié)鋰電池充電。很多情況下該充電器被集成到PMU內(nèi)，不過，為了簡化設(shè)計(jì)，檢流電阻和調(diào)整管還是在外部。為了保證熱耗散在容許范圍內(nèi)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(diào)節(jié)適配器使調(diào)整管上的壓差保持恒定；
（5）增加一個(gè)恒定熱量控制環(huán)路，通過節(jié)制充電電流來保持恒定的晶片溫度，這種方式只有在調(diào)整管置于PMU內(nèi)部時(shí)才可用。
分離式充電IC具有很多靈活性，但在智能手機(jī)中這種優(yōu)勢大打折扣，因?yàn)榧墒匠潆娖骱苋菀淄ㄟ^PMU的串行接口重新編程設(shè)置，使其適應(yīng)不同的電池化學(xué)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(tǒng)需要。在多個(gè)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(tǒng)各部分使用，例如提供多個(gè)不同電壓的電源，并負(fù)責(zé)為內(nèi)部電池充電。因?yàn)槭褂玫南到y(tǒng)多以電池為電源，其多使用高轉(zhuǎn)換效率的設(shè)計(jì)，以減少功率損耗。電源管理芯片的應(yīng)用范圍十分廣泛，發(fā)展電源管理芯片對于提高整機(jī)性能具有重要意義。

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| 發(fā)布時(shí)間：2019.06.25    來源：電源適配器廠家
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