【技术文章】现代无线电话的电源管理:满足子系统的设计需求

摘要: 电源管理的发展趋势,正由产品要加入更多功能的需求所推动。集成无线设备,例如智能电话便结合了多种功能于一身,包

电源管理的发展趋势,正由产品要加入更多功能的需求所推动。集成无线设备,例如智能电话便结合了多种功能于一身,包括蜂窝电话、PDA、数码相机、音乐播放器GPS,这会进一步突破技术的界限,而电源管理也不例外。本文将讨论当今最先进蜂窝电话设计所使用最新的电源管理产品。

图1  采用FAN5613的白光LED驱动器偏置电流方案

图2  主板分布式电源管理系统的示例

智能电话子系统
先进的智能电话系统(配有手机和AC适配器/充电器)由五个主要电路板组成:显示板、基带主板、键盘板、锂离子电池板及AC适配器板,还为数码相机、蓝牙或其它功能提供附加模块。相应地,电源管理也分成五个子系统。
显示板上的LED驱动器IC及四个白光LED;
键盘板上的LED驱动器及八个白光或蓝光LED;
主板上的电源管理IC ;
电池组中的锂离子保护电路和电量测量IC及MOSFET;
AC适配器板中的离线控制IC。

显示板
单色显示器的背光可由不同颜色组成,一般采用四个相同颜色的LED灯。智能电话的彩色薄膜晶体管(TFT)液晶显示器(LCD)仅需要白色背光。白光LED二极管的正向导通电压低(约为2.7V),只需简单的DC电流即可发光。因此,电压仅为3.1V的DC电源VDD必须为这些器件施加偏压。由于偏置电压低,四个LED因而可直接使用单个锂离子电池供电,而锂离子电池正是蜂窝电话的供电源。
单片四LED驱动器(如飞兆半导体的FAN5613)采用微型MLP 8引脚封装,为每个二极管提供40mA偏置电流(见图1)。
由于连续时间电流控制会影响色彩的一致性,因此可通过开关引脚,采用脉宽调制电源激励 LED,来增强色彩的逼真度。
键区板
与显示板的配置类似,键盘板也是采用LED灯照明,并通常使用八个白光或蓝光LED。如果使用蓝色背光,可用八个QTLP601C-EB InGaN/蓝宝石表面贴装LED,由两个FAN5613 LED驱动器驱动。

图3  采用FDW2508D实现电池内电量测量和保护

图4  单个锂离子电池的AC适配器

主板
绝大多数电子组件都集中在主板上,从基带DSP、应用MCU到收发器及模拟接口。其中,每个模块均由专用稳压器供电。随着智能电话的复杂度不断增加,对电源管理的要求也愈发严格。要达到这个要求,可采用基带处理器内的电源管理器,通过逻辑信号与外界进行通信。在电源方面,稳压器可以接收逻辑信号并执行相应的操作。
在某些情况下,所有稳压器要求通过直接的逻辑信号,进入轻载操作、休眠模式或关机模式。在其它情况下,例如为基带处理器供电时,电源管理会变得更加复杂,需要电压源随所处理任务的变化而改变,提供刚好所需的功率。在这种情况下,稳压器需要与D/A转换器及串行总线相耦合,以便与主微控制器进行通信。这样的电源管理方案在笔记本电脑及电池供电的设备中很常见,并早就超过了智能电话今日才达到的复杂性。(笔记本电脑所采用流行的电源管理方案为英特尔的Speedstep及AMD的PowerNow。)
图2是主板分布式电源管理方案的示例,将简单的降压式转换器、SMBus串行至并行接口(如FM3570)组合在一起,让CPU能以5位D/A转换器分辨率驱动Vcore电源。开关及线性稳压器的组合,可在简单与高性能之间取得最佳平衡,通过一个专用逻辑引脚即能关闭所有器件。

电池组
电池组内的电源管理主要包括锂离子电池保护电路、电量测量IC及MOSFET。保护电路会测量电池电压,一旦发现超出充电阈值,即会打开旁路晶体管。电量测量可用于显示电池充电的状态,预测电池供电操作的剩余时间。图3为电池内电路的示例,采用双MOSFET FDW2508D作为保护部分的旁路晶体管。

AC适配器
AC适配器板可进行AC线路整流,将电压降至可由主板控制的直流低电压,或直接转换为单个锂离子电池所需的恒定电流/恒定电压充电算法,然后起着适配器及充电器的功能。而只有前者的情况才需要主板上的充电器。在图4中,AC适配器/充电器基于离线开关结构,能达到最佳工作效率。在这个示例中,高压产品FSDH0165直接通过AC线路供电,并集成了功率DMOS晶体管以降低复杂度。

结语
现代无线电话所采用的电源管理通常分为五个主要的子系统,每个系统具有各自的集成特性。主板需要很多低压电源,因此集成度较高。与之相反的是AC适配器(或适配器/充电器),需要高压(600-800V)及相对于低压侧的流电隔离。键盘板和显示器板可采用相同级别的技术,即LED和LED驱动器,而电池内的电路则是另一个独特的区域,需要真正的混合信号技术进行电量测量和保护。


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