3G手機電源管理設(shè)計-技術(shù)方案

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3G手機通俗地說就是指第三代手機。隨著科技和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，目前的手機的品種和型號也是多的讓人目不暇接，從代模擬制式手機到第二代的GSM、TDMA等數(shù)字手機，再到現(xiàn)在的第三代手機，手機已經(jīng)成了集語音通信和多媒體通信相結(jié)合，并且包括圖像、音樂、網(wǎng)頁瀏覽、電話會議以及其它一些信息服務(wù)等增值服務(wù)的新一代移動通信系統(tǒng)。

具備強大功能的基礎(chǔ)是3G手機極高的數(shù)據(jù)傳輸速度，目前的GSM移動通信網(wǎng)的傳輸速度為每秒9.6KB，而第三代手機終可能達(dá)到的數(shù)據(jù)傳輸速度將高達(dá)每秒2MB。而為此做支撐的則是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)充分糅合到3G手機系統(tǒng)中，其中重要的就是數(shù)據(jù)打包技術(shù)。在現(xiàn)有GSM上應(yīng)用數(shù)據(jù)打包技術(shù)發(fā)展出的GPRS目前已可達(dá)到每秒384kbps傳輸速度，這相當(dāng)于D－ISDN傳輸速度的兩倍。3G手機支持高質(zhì)量的話音，分組數(shù)據(jù)，多媒體業(yè)務(wù)和多用戶速率通訊，將大大擴(kuò)展手機通訊的內(nèi)涵。

3G手機不僅可以瀏覽網(wǎng)頁、發(fā)送電子郵件、拍攝數(shù)碼相片，甚至能播放視頻流。手機制造商正面臨越來越大的壓力，因為他們必須把這些功能集成進(jìn)不斷縮小的體積內(nèi)，同時要讓手機維持較長的工作時間。

圖1

從圖1可以看出，不斷增多的功能促使手機需要更多不同功率水平的低電壓輸出電平。一個例子是用于圖像處理的應(yīng)用處理器，它在視頻捕獲期間需要高達(dá)360mw的功率。在滿負(fù)荷運行時，手機內(nèi)部系統(tǒng)的負(fù)載所需的峰值功率通常將超過4W。這么高的功率會很快耗盡電池的能量。影響電池運行時間的另一重要因素是電源效率和系統(tǒng)電源管理。

低電源轉(zhuǎn)換效率將導(dǎo)致發(fā)熱。這種熱量是因為電壓調(diào)節(jié)器在能量轉(zhuǎn)換過程中的功率損失而產(chǎn)生的。但手機中沒有用于冷卻的風(fēng)扇或散熱片，而只有密集封裝的印制電路板。因此沒有任何通道可讓熱量散出。這些熱量會縮短電池壽命，并降低產(chǎn)品的可靠性。

對于可滿足手機內(nèi)部電源轉(zhuǎn)換需求的不同電壓穩(wěn)壓器，我們必須認(rèn)真考慮它們的優(yōu)缺點。目前有三種選擇：線性LDO穩(wěn)壓器、無電感型開關(guān)穩(wěn)壓以及傳統(tǒng)的開關(guān)穩(wěn)壓器。

線性LDO穩(wěn)壓器被認(rèn)為是簡單的方案，它只能將輸入電壓轉(zhuǎn)換到更低的電壓。它顯著的缺點是熱量管理，因為它的轉(zhuǎn)換效率接近于輸出電壓與輸入電壓的比值。

開關(guān)穩(wěn)壓器可避開所有線性穩(wěn)壓器的效率缺點。通過使用低阻抗開關(guān)和磁存儲組件，開關(guān)穩(wěn)壓器的效率能達(dá)到96%，從而顯著減少轉(zhuǎn)換過程的功率損耗。由于工作在非常高的開關(guān)頻率，這可以減小外部電感和電容的尺寸。開關(guān)穩(wěn)壓器的缺點比較少，而且能夠通過良好的設(shè)計技術(shù)加以克服。

介于線性穩(wěn)壓器與傳統(tǒng)開關(guān)穩(wěn)壓器之間的是充電泵。在充電泵中，外部儲能元件是電容而不是電感。由于沒有電感，它可以減輕潛在的電磁干擾問題，以免影響敏感的RF接收器或藍(lán)牙芯片組。充電泵的缺點是有限的輸入輸出電壓比以及有限的輸出電流能力。

拍照功能引發(fā)的挑戰(zhàn)

對于兩百萬像素照相手機，內(nèi)置閃光燈的尺寸和性能是系統(tǒng)設(shè)計師需要考慮的兩個關(guān)鍵因素?，F(xiàn)在，閃光照明有兩種實際選擇：白光LED和閃光燈。表2比較了LED與閃光燈的性能。LED的優(yōu)勢是具有連續(xù)工作能力，而且只需要低密度的支持電路。

然而，閃光燈擁有一些對高質(zhì)量攝像特別重要的特性。它的線源光輸出是點源LED的數(shù)百倍，因而可以在大范圍內(nèi)產(chǎn)生密集且容易發(fā)散的光線。此外，閃光燈的色溫是5500°K至6000°K，這非常接近自然光，從而消除了白光LED在藍(lán)光峰值輸出時所需的色彩校正。

大多數(shù)設(shè)計師希望擁有氙閃光燈的性能，但他們必須保證電路尺寸和復(fù)雜度不會對方案的具體實現(xiàn)造成負(fù)面影響。要更好地理解與此任務(wù)相關(guān)的設(shè)計困難，設(shè)計師必須仔細(xì)考慮閃光燈的物理尺寸和操作以及為了確保它安全、正確地工作所需的支持電路。

閃光燈及其支持電路

閃光燈通常是一個充滿氙氣的圓柱形玻璃管，其陽極與陰極都直接與氙氣接觸，而沿?zé)艄芡獗砻娣植嫉挠|發(fā)電極則不與氙氣接觸。氣體擊穿電壓一般是在幾千伏范圍內(nèi)。一旦發(fā)生擊穿，燈阻抗會下降到1W以下，此時流過擊穿氣體的高電流就會產(chǎn)生強烈的可見光。

閃光燈由觸發(fā)電路和一個可產(chǎn)生高瞬態(tài)電流的儲能電容控制。工作時，閃光電容器一般被充電至300V。初，電容器不能放電，因為閃光燈處于高阻抗?fàn)顟B(tài)。但當(dāng)觸發(fā)電路接到命令后即會給燈施加數(shù)千伏的高壓，于是燈被擊穿，從而使電容器放電。對閃光重復(fù)率的主要限制是燈能否安全散熱。第二個限制是充電電路給閃光電容器充滿電所需的時間。根據(jù)目前的輸入功率、電容值及充電電路特性，充電時間一般在1到5秒之間。

閃光電容器充電器基本上是一種具有某些特殊能力的變壓器耦合升壓轉(zhuǎn)換器。當(dāng)其“充電”控制線為高電位時，穩(wěn)壓器同步內(nèi)部功率開關(guān)，使升壓變壓器產(chǎn)生高電壓脈沖。然后，這些脈沖再經(jīng)整流和濾波，產(chǎn)生300V的直流輸出，其轉(zhuǎn)換效率高達(dá)80%。

凌特提供一種可滿足以上所有技術(shù)及性能要求的完整閃光燈電路。通過利用LT3468-1，該解決方案可提供適合3G手機的緊湊外形。

圖2

圖2左上方是電容器充電電路。一個肖特基二極管用來安全箝位T1引起的反向瞬態(tài)電壓。升壓變壓器T2用來產(chǎn)生高電壓觸發(fā)脈沖。假設(shè)C1被完全充電，那么當(dāng)Q1～Q2使Q3導(dǎo)通時，C2將電流儲存進(jìn)T2主端。然后，T2副端將高壓觸發(fā)脈沖提供給閃光燈，使其電離并導(dǎo)電。C1通過閃光燈放電，從而實現(xiàn)發(fā)光。整個電路占位面積小于400mm2且高度不超過6mm。

電池充電解決方案

線性鋰離子電池充電器的一個明顯趨勢是封裝尺寸繼續(xù)減小。但值得關(guān)注的是在充電周期冷卻IC所需的板空間或通風(fēng)條件。充電器的功耗會使IC的接合部溫度上升。加上環(huán)境溫度，它會達(dá)到足夠高的水平，使IC過熱并降低電路可靠性。此外，如果過熱，許多充電器會停止充電周期，只有當(dāng)接合部溫度下降后才恢復(fù)工作。如果這種高溫持續(xù)存在，那么充電器“停止和開始”的反復(fù)循環(huán)也將繼續(xù)發(fā)生，從而延長充電時間。為減少這些風(fēng)險，用戶只能選擇減小充電電流來延長充電時間或增大板面積來散熱。因此，由于增加了PCB散熱面積及熱保護(hù)材料，整個系統(tǒng)成本也將上升。

對此問題有兩種解決方案。首先，需要一種智能的線性鋰離子電池充電器，它不必為擔(dān)心散熱而犧牲PCB面積，并采用一種小型的熱增強封裝，允許它監(jiān)視自己的接合部溫度以防止過熱。如果達(dá)到預(yù)設(shè)的溫度閾值，充電器能自動減少充電電流以限制功耗，從而使芯片溫度保持在安全水平。第二種解決方案是使用一種即使充電電流很高時也幾乎不發(fā)熱的充電器。這要求使用脈沖充電器，它是一種完全不同于線性充電器的技術(shù)。脈沖充電器依靠經(jīng)過良好調(diào)節(jié)且電流受限的墻上適配器來充電。

方案一：LTC4059A線性電池充電器

LTC4059A是一款用于單節(jié)鋰離子電池的線性充電器，它無需使用三個分立功率器件，可快速充電而不用擔(dān)心系統(tǒng)過熱。監(jiān)視器負(fù)責(zé)充電電流值，并指示充電器是何時與輸入電源連接的。它采用盡可能小的封裝但沒有犧牲散熱性能。整個方案僅需兩個分立器件，占位面積為2.5mm×2.7mm。LTC4059A采用2mm×2mmDFN封裝，占位面積只有SOT-23封裝的一半，并能提供大約60℃/W的低熱阻，以提高散熱效率。通過適當(dāng)?shù)腜CB布局及散熱設(shè)計，LTC4059A可以在輸入電壓為5V的情況下以900mA的電流對單節(jié)鋰離子電池安全充電。此外，設(shè)計時無需考慮壞情況下的功耗，因為LTC4059A采用了的熱管理技術(shù)，可以在高功率條件下自動減小充電電流。

方案二：帶過流保護(hù)功能的LTC4052脈沖充電器

LTC4052是一款全集成的脈沖充電器，用于單節(jié)4.2V鋰離子/鋰聚合物電池。當(dāng)輸入電壓為5.25V并以0.8A電流進(jìn)行快速充電時，LTC4052的功耗大約為280mW，而線性充電器解決方案的功耗則高達(dá)1.8W。與采用電感來獲得高效率和低散熱的開關(guān)充電器不同，LTC4052采用無電感設(shè)計。利用LTC4052設(shè)計的700mA至2A鋰離子/鋰聚合物電池充電器電路僅占70mm2的面積，且高度低于1