配合智能手机等应用要求及技术趋势的半导体电源管理方案

　　近年来，手机等便携设备市场持续快速发展。据预计，手机出货量将从2011年的14亿部增长至2014年的18亿部；其中又以智能手机市场耀眼，受大量低成本Android手机上市推动，同期智能手机出货量将从4亿部增长至6.8亿部，而且智能手机的半导体元件含量远高于功能型或入门型手机。与此同时，领先制造商更加重视用户使用体验，其举措之一是在产品设计中选择能够更好配合智能手机等便携设备应用要求及技术趋势的产品及方案。
   　　安森美半导体身为全球高能效电子产品的首要硅方案供应商，针对便携应用提供丰富的解决方案。本文将重点探讨安森美半导体的高性能、高能效方案如何配合智能手机等便携应用的要求及技术趋势，帮助设计工程师选择适合的元器件方案。
   　　高集成度PMIC简化设计，加快产品上市进程
   　　众所周知，便携设备集成的功能越来越多，从拍照到音视频播放、游戏乃至位置服务等，不一而足。而随着3G乃至4G网络基础设施的就绪，用户越来越习惯于透过智能手机等便携设备来以无线方式访问丰富的数据及多媒体内容，需要便携设备嵌入更多更强大的射频(RF)模块。相应的代价是功率消耗越来越高，而电池容量及技术方面的进展仍然缓慢，便携设备设计人员必须适应这种结合许多功能的高集成度趋势，提供足够长的电池使用时间，同时配合消费者对纤薄外形的需求。
   　　为了应对这些挑战，便携设备设计人员的一项可行策略就是在选择集成多种功能的主芯片组，同时选用高集成度的电源管理集成电路(PMIC)，帮助简化设计，使控制电源所需的资源减至最少，并将外形因数保持在可控范围之内。
     
   
   　　图1：安森美半导体提供的mini-PMIC功能示意图。
   　　安森美半导体提供一系列的微型电源管理IC(mini-PMIC)，其功能示意图参见图1。这些微型电源管理IC集成多个DC-DC开关转换器或低压降(LDO)线性转换器，同时还可能集成其它多种控制或保护功能等，如总线控制、排序器、功率良好(PG)监控、启用(Enable)、带隙参考、振荡器、欠压锁定及热关闭等保护功能或动态电压调节(DVS)等。安森美半导体的mini-PMIC目前包括NCP6922、NCP6914、NCP6924及NCP69xy等(功率及功能递增)。
   　　以NCP6922为例，这款mini-PMIC提供4路从0.6 V到3.3 V输出的电压轨(2路DC-DC加2路LDO)，同时集成了内核、上电排序器、热保护及时钟等多种功能(详见图2)，采用2.05 mm x 2.05 mm CSP封装，不仅减小方案尺寸，还藉I2C控制提供设计灵活性，适用于要求多种稳压输出、使用数字信号处理器(DSP)和/或微处理器的电池供电便携设备。这器件支持2.3 V至5.5 V输入电压范围，配合最新电池技术；还支持高达3 MHz的DC-DC工作频率，可以减小输出电感及电容的尺寸；静态电流消耗低至64 μA，帮助延长电池使用时间；还支持动态电压调节(DVS)，提升系统能效。
     
   
   　　图2：安森美半导体的NCP6922 mini-PMIC集成2路DC-DC、2路LDO及其它多种功能。
   　　值得一提的是，安森美半导体的这系列mini-PMIC可以提供定制的上电排序功能，以适应不同平台应用需求。这系列IC中集成的LDO可以采用DC-DC输出供电，进一步提升能效。其它优势包括以I2C控制提供设计灵活性、支持低至2.3 V的电压以配合新电池技术、提供间距低至0.4 mm的QFN及CSP封装等。安森美半导体还提供丰富的知识产权(IP)库及模块化途径，帮助客户应对高集成度趋势，以及加快产品上市进程。
   　　降压或升压DC-DC开关稳压器配合应用处理器供电或HDMI端口供电
   　　虽然高集成度PMIC的应用日益增多，但在便携产品中，不是所有电源域都需要使用高集成度PMIC。而随着便携产品功能不断增多，集成度相对较低的电源转换IC的需求也增加了，以此配合增加新功能。
   　　例如，对于便携产品而言，为了给高耗电的应用处理器供电，设计人员可能需要使用DC-DC开关稳压器。安森美半导体推出了集成度相对较低的系列DC-DC开关降压转换器IC，如NCP6334B/C、NCP6338、NCP636x模块等。这些IC都接受2.3 V至5.5 V输入电压，配合最新电池技术。以NCP6334B/C为例，这是一款2 A、3 MHz DC-DC降压转换器，集成了功率良好(PG)及工作模式选择(PWM模式或PFM/PWM自动模式)功能，是一款节省成本及空间的方案，非常适合于为要求以低电压提供大功率的新型微处理器供电。NCP6338功能与NCP6334类似，但可提供高达6 A输出电流，配合最新处理器需求。NCP636x模块则是0.8 A、6 MHz DC-DC降压转换器模块，高达6 MHz的开关频率便于采用更小尺寸的外部元器件，使总方案尺寸小于5 mm2(最大高度1 mm)，尤其适合容限极有限的便携应用。
     
   
   　　图3：适合HDMI端口供电的CAT3200HU2低噪声电源IC。
   　　值得一提的是，如今许多智能手机都配备HDMI接口，方便用户传输视频数据。这些HDMI接口采用+5 V电压供电，高于便携产品中常用的锂离子电池的供电电压，这时候就需要DC-DC升压转换器。有利的是，安森美半导体推出了针对HDMI端口供电应用的低噪声电荷泵DC-DC升压转换器CAT3200HU2，这器件接受2.7 V至4.5 V输入，提供5 V/100 mA(及可调节输出)，采用UDFN-8封装，适合于3 V至5 V的升压转换(也适合2.5 V至3.3 V升压转换)，典型应用包括HDMI及DisplayPort端口供电等。图3显示的是典型应用电路。
   　　低电流、低噪声LDO配合延长电池使用时间及减小尺寸
   　　如前所述，尽管高集成度PMIC在智能手机便携产品中应用增多，但独立的DC-DC开关稳压器或LDO仍有充足应用空间，如需要LDO来配合便携设备将电池使用时间延至最长并将尺寸减至最小，特别是那些射频(RF)及噪声敏感型功能仍然需要使用低噪声的LDO。以手机为例，LDO的典型应用包括音频插孔、相机模块、显示屏模块、GPS模块、接口、LCD/触摸屏控制、麦克风、GSM/WCDMA 射频子电路板、蓝牙模块及USB端口等。
   　　安森美半导体提供适合便携应用的宽广阵容LDO，其中包括NCP45xx及NCP46xx系列，如NCP4586(100 mA)、NCP4587/89(150/300 mA)、NCP4588(200 mA)、NCP4681/4(150 mA)、NCP4682/5(150 mA)、NCP4680(100 mA)及NCP4683(300 mA)等。此外，CAT62xx系列的多款LDO也非常适合便携应用，包括确保提供500 mA输出电流的CAT6219、提供两路300 mA峰值输出电流的CAT6221、空载接地电流仅为典型值10 μA的CAT6220、提供1 A峰值电流的CAT6243及超低工作电流的CAT6289等。
     
   
   　　图4：CAT6289超低工作电流NanoPower LDO框图及典型应用电路图。
   　　以CAT6289为例，这是一款超低工作电流(典型值400 nA)的NanoPower LDO，输入电压范围为1.8 V至5.5 V，提供8种标准电压输出，包括1.00、1.20、1.25、1.50、1.80、2.50、3.00及3.30 V，10 mA电流时的典型压降为380 mV，1 kHz时的典型电源抑制比(PSRR)为-60 dB。这器件采用小型1.5 mm x 1.5 mm TDFN-6封装，能够帮助便携设备延长电池使用时间，并配合小外形因数设计。
   　　配合便携设备不同充电应用OVP及OCP保护方案
   　　智能手机等采用锂离子电池供电的便携设备在日常充电/供电应用中，可能面临正向/负向过压、过流等风险，故需要安全的保护方案。安森美半导体的便携设备OVP保护方案主要包括针对墙式适配器/USB充电的30 V/高达3 A系列产品(包括NCP347/348、NCP349、NCP367、NCP370、NCP372及NCP391等)，以及针对USB充电的20 V/500 mA系列产品(包括NCP360、NCP361、NCP362及NCP373等)；OCP保护方案包括NCP380、NCP381及NCP382等。
   　　以NCP367为例，这是一款提供+30 V过压保护及高达3 A过流保护、带电池电压检测功能的保护IC(见图5)。这器件保护便携设备电池免受输入过压(在出现故障工作条件下会断开系统与Vbus或AC-DC适配器的连接)、充电过流及充电过压影响。NCP367提供最大值100 mΩ的低导通阻抗，帮助降低方案成本及电路板占用空间。支持高达3 A电流的能力帮助实现快速充电。典型值50 μA的极低电流消耗兼容于USB 500 μA闲置模式。这器件能用于1.5 A或500 mA两种充电电流等级，非常适合手机等应用。
     
   
   　　图5：NCP367典型应用电路图。
   　　NCP382则是一款功率分配开关，其设计针对很可能会遇到大的电容性负载或短路的应用。实际上，越来越多便携电子设备采用USB供电，但需要保护本地USB电源够用受外部Vbus故障影响。NCP382能够通过在输出负载超过限流阈值或出现短路时切换至恒流模式，将输出电流限制在期望的电平(0.5 A、1 A或1.5 A)，从而提供过流保护。NCP381接收2.5 V至5.5 V的单路输入，提供2路输出。图6是NCP382的典型应用电路图。
     
   
   　　图6：NCP382典型应用电路图。
   　　高集成度开关电池充电器帮助加快便携设备电池充电速度
   　　消费者可能会采用墙式AC适配器或USB输入来为便携设备充电。一般而言，墙式AC适配器的充电电流更大(如可达1.5 A)，所需充电时间较短；而USB充电电流相对较小(如500 mA)，时间更长。但即便是采用USB输入充电，消费者也期望能够更快速地完成充电。安森美半导体的NCP1851开关电池充电器就是一款满足消费者在这方面期望的高集成度IC。这器件接受3.6 V至16 V的宽输入电压范围，提供可在7 V至16 V之间选择的正向过压锁定，提供正向+30 V/负向-30 V输入过压保护。这器件集成了DC-DC升压电路，用于5 V USB OTG应用(电流250 mA)，并提供5 V USB收发器保护。NCP1851还集成电池FET驱动器，支持“电池电量耗尽”(dead battery)工作。这器件的充电电流可达1.5 A，还集成了电池温度监测功能，在充电时保护电池安全，非常适合于便携设备的快速电池充电应用。
     
   
   　　图7：NCP1851开关电池充电器功能示意图。