中心議題：
- 配合智能手機(jī)等便攜應(yīng)用要求及技術(shù)趨勢(shì)的電源管理方案
解決方案：
- 高集成度PMIC
- 降壓或升壓DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器
- 低電流、低噪聲LDO
- 配合便攜設(shè)備不同充電應(yīng)用OVP及OCP保護(hù)方案
- 高集成度開(kāi)關(guān)電池充電器
- 應(yīng)用于便攜設(shè)備的其它電源管理IC及分立器件
近年來(lái)，手機(jī)等便攜設(shè)備市場(chǎng)持續(xù)快速發(fā)展。據(jù)預(yù)計(jì)，手機(jī)出貨量將從2011年的14億部增長(zhǎng)至2014年的18億部；其中又以智能手機(jī)市場(chǎng)耀眼，受大量低成本Android手機(jī)上市推動(dòng)，同期智能手機(jī)出貨量將從4億部增長(zhǎng)至6.8億部，而且智能手機(jī)的半導(dǎo)體元件含量遠(yuǎn)高于功能型或入門型手機(jī)。與此同時(shí)，領(lǐng)先制造商更加重視用戶使用體驗(yàn)，其舉措之一是在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中選擇能夠更好配合智能手機(jī)等便攜設(shè)備應(yīng)用要求及技術(shù)趨勢(shì)的產(chǎn)品及方案。
安森美半導(dǎo)體身為全球高能效電子產(chǎn)品的首要硅方案供應(yīng)商，針對(duì)便攜應(yīng)用提供豐富的解決方案。本文將重點(diǎn)探討安森美半導(dǎo)體的高性能、高能效方案如何配合智能手機(jī)等便攜應(yīng)用的要求及技術(shù)趨勢(shì)，幫助設(shè)計(jì)工程師選擇適合的元器件方案。
高集成度PMIC簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，加快產(chǎn)品上市進(jìn)程
眾所周知，便攜設(shè)備集成的功能越來(lái)越多，從拍照到音視頻播放、游戲乃至位置服務(wù)等，不一而足。而隨著3G乃至4G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的就緒，用戶越來(lái)越習(xí)慣于透過(guò)智能手機(jī)等便攜設(shè)備來(lái)以無(wú)線方式訪問(wèn)豐富的數(shù)據(jù)及多媒體內(nèi)容，需要便攜設(shè)備嵌入更多更強(qiáng)大的射頻(RF)模塊。相應(yīng)的代價(jià)是功率消耗越來(lái)越高，而電池容量及技術(shù)方面的進(jìn)展仍然緩慢，便攜設(shè)備設(shè)計(jì)人員必須適應(yīng)這種結(jié)合許多功能的高集成度趨勢(shì)，提供足夠長(zhǎng)的電池使用時(shí)間，同時(shí)配合消費(fèi)者對(duì)纖薄外形的需求。
為了應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)，便攜設(shè)備設(shè)計(jì)人員的一項(xiàng)可行策略就是在選擇集成多種功能的主芯片組，同時(shí)選用高集成度的電源管理集成電路(PMIC)，幫助簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，使控制電源所需的資源減至最少，并將外形因數(shù)保持在可控范圍之內(nèi)。
圖1：安森美半導(dǎo)體提供的mini-PMIC功能示意圖。
安森美半導(dǎo)體提供一系列的微型電源管理IC(mini-PMIC)，其功能示意圖參見(jiàn)圖1。這些微型電源管理IC集成多個(gè)DC-DC開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器或低壓降(LDO)線性轉(zhuǎn)換器，同時(shí)還可能集成其它多種控制或保護(hù)功能等，如總線控制、排序器、功率良好(PG)監(jiān)控、啟用(Enable)、帶隙參考、振蕩器、欠壓鎖定及熱關(guān)閉等保護(hù)功能或動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)等。安森美半導(dǎo)體的mini-PMIC目前包括NCP6922、NCP6914、NCP6924及NCP69xy等(功率及功能遞增)。
以NCP6922為例，這款mini-PMIC提供4路從0.6 V到3.3 V輸出的電壓軌(2路DC-DC加2路LDO)，同時(shí)集成了內(nèi)核、上電排序器、熱保護(hù)及時(shí)鐘等多種功能(詳見(jiàn)圖2)，采用2.05 mm x 2.05 mm CSP封裝，不僅減小方案尺寸，還藉I2C控制提供設(shè)計(jì)靈活性，適用于要求多種穩(wěn)壓輸出、使用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)和/或微處理器的電池供電便攜設(shè)備。這器件支持2.3 V至5.5 V輸入電壓范圍，配合最新電池技術(shù)；還支持高達(dá)3 MHz的DC-DC工作頻率，可以減小輸出電感及電容的尺寸；靜態(tài)電流消耗低至64 μA，幫助延長(zhǎng)電池使用時(shí)間；還支持動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)，提升系統(tǒng)能效。
圖2：安森美半導(dǎo)體的NCP6922 mini-PMIC集成2路DC-DC、2路LDO及其它多種功能。
值得一提的是，安森美半導(dǎo)體的這系列mini-PMIC可以提供定制的上電排序功能，以適應(yīng)不同平臺(tái)應(yīng)用需求。這系列IC中集成的LDO可以采用DC-DC輸出供電，進(jìn)一步提升能效。其它優(yōu)勢(shì)包括以I2C控制提供設(shè)計(jì)靈活性、支持低至2.3 V的電壓以配合新電池技術(shù)、提供間距低至0.4 mm的QFN及CSP封裝等。安森美半導(dǎo)體還提供豐富的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)庫(kù)及模塊化途徑，幫助客戶應(yīng)對(duì)高集成度趨勢(shì)，以及加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。
降壓或升壓DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器配合應(yīng)用處理器供電或HDMI端口供電
雖然高集成度PMIC的應(yīng)用日益增多，但在便攜產(chǎn)品中，不是所有電源域都需要使用高集成度PMIC。而隨著便攜產(chǎn)品功能不斷增多，集成度相對(duì)較低的電源轉(zhuǎn)換IC的需求也增加了，以此配合增加新功能。
例如，對(duì)于便攜產(chǎn)品而言，為了給高耗電的應(yīng)用處理器供電，設(shè)計(jì)人員可能需要使用DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。安森美半導(dǎo)體推出了集成度相對(duì)較低的系列DC-DC開(kāi)關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器IC，如NCP6334B/C、NCP6338、NCP636x模塊等。這些IC都接受2.3 V至5.5 V輸入電壓，配合最新電池技術(shù)。以NCP6334B/C為例，這是一款2 A、3 MHz DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器，集成了功率良好(PG)及工作模式選擇(PWM模式或PFM/PWM自動(dòng)模式)功能，是一款節(jié)省成本及空間的方案，非常適合于為要求以低電壓提供大功率的新型微處理器供電。NCP6338功能與NCP6334類似，但可提供高達(dá)6 A輸出電流，配合最新處理器需求。NCP636x模塊則是0.8 A、6 MHz DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器模塊，高達(dá)6 MHz的開(kāi)關(guān)頻率便于采用更小尺寸的外部元器件，使總方案尺寸小于5 mm2(最大高度1 mm)，尤其適合容限極有限的便攜應(yīng)用。
圖3：適合HDMI端口供電的CAT3200HU2低噪聲電源IC。
值得一提的是，如今許多智能手機(jī)都配備HDMI接口，方便用戶傳輸視頻數(shù)據(jù)。這些HDMI接口采用+5 V電壓供電，高于便攜產(chǎn)品中常用的鋰離子電池的供電電壓，這時(shí)候就需要DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器。有利的是，安森美半導(dǎo)體推出了針對(duì)HDMI端口供電應(yīng)用的低噪聲電荷泵DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器CAT3200HU2，這器件接受2.7 V至4.5 V輸入，提供5 V/100 mA(及可調(diào)節(jié)輸出)，采用UDFN-8封裝，適合于3 V至5 V的升壓轉(zhuǎn)換(也適合2.5 V至3.3 V升壓轉(zhuǎn)換)，典型應(yīng)用包括HDMI及DisplayPort端口供電等。圖3顯示的是典型應(yīng)用電路。
低電流、低噪聲LDO配合延長(zhǎng)電池使用時(shí)間及減小尺寸
如前所述，盡管高集成度PMIC在智能手機(jī)便攜產(chǎn)品中應(yīng)用增多，但獨(dú)立的DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器或LDO仍有充足應(yīng)用空間，如需要LDO來(lái)配合便攜設(shè)備將電池使用時(shí)間延至最長(zhǎng)并將尺寸減至最小，特別是那些射頻(RF)及噪聲敏感型功能仍然需要使用低噪聲的LDO。以手機(jī)為例，LDO的典型應(yīng)用包括音頻插孔、相機(jī)模塊、顯示屏模塊、GPS模塊、接口、LCD/觸摸屏控制、麥克風(fēng)、GSM/WCDMA 射頻子電路板、藍(lán)牙模塊及USB端口等。
安森美半導(dǎo)體提供適合便攜應(yīng)用的寬廣陣容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也非常適合便攜應(yīng)用，包括確保提供500 mA輸出電流的CAT6219、提供兩路300 mA峰值輸出電流的CAT6221、空載接地電流僅為典型值10 μA的CAT6220、提供1 A峰值電流的CAT6243及超低工作電流的CAT6289等。
圖4：CAT6289超低工作電流NanoPower LDO框圖及典型應(yīng)用電路圖。
以CAT6289為例，這是一款超低工作電流(典型值400 nA)的NanoPower LDO，輸入電壓范圍為1.8 V至5.5 V，提供8種標(biāo)準(zhǔn)電壓輸出，包括1.00、1.20、1.25、1.50、1.80、2.50、3.00及3.30 V，10 mA電流時(shí)的典型壓降為380 mV，1 kHz時(shí)的典型電源抑制比(PSRR)為-60 dB。這器件采用小型1.5 mm x 1.5 mm TDFN-6封裝，能夠幫助便攜設(shè)備延長(zhǎng)電池使用時(shí)間，并配合小外形因數(shù)設(shè)計(jì)。
配合便攜設(shè)備不同充電應(yīng)用OVP及OCP保護(hù)方案
智能手機(jī)等采用鋰離子電池供電的便攜設(shè)備在日常充電/供電應(yīng)用中，可能面臨正向/負(fù)向過(guò)壓、過(guò)流等風(fēng)險(xiǎn)，故需要安全的保護(hù)方案。安森美半導(dǎo)體的便攜設(shè)備OVP保護(hù)方案主要包括針對(duì)墻式適配器/USB充電的30 V/高達(dá)3 A系列產(chǎn)品(包括NCP347/348、NCP349、NCP367、NCP370、NCP372及NCP391等)，以及針對(duì)USB充電的20 V/500 mA系列產(chǎn)品(包括NCP360、NCP361、NCP362及NCP373等)；OCP保護(hù)方案包括NCP380、NCP381及NCP382等。
以NCP367為例，這是一款提供+30 V過(guò)壓保護(hù)及高達(dá)3 A過(guò)流保護(hù)、帶電池電壓檢測(cè)功能的保護(hù)IC(見(jiàn)圖5)。這器件保護(hù)便攜設(shè)備電池免受輸入過(guò)壓(在出現(xiàn)故障工作條件下會(huì)斷開(kāi)系統(tǒng)與Vbus或AC-DC適配器的連接)、充電過(guò)流及充電過(guò)壓影響。NCP367提供最大值100 mΩ的低導(dǎo)通阻抗，幫助降低方案成本及電路板占用空間。支持高達(dá)3 A電流的能力幫助實(shí)現(xiàn)快速充電。典型值50 μA的極低電流消耗兼容于USB 500 μA閑置模式。這器件能用于1.5 A或500 mA兩種充電電流等級(jí)，非常適合手機(jī)等應(yīng)用。
圖5：NCP367典型應(yīng)用電路圖。
NCP382則是一款功率分配開(kāi)關(guān)，其設(shè)計(jì)針對(duì)很可能會(huì)遇到大的電容性負(fù)載或短路的應(yīng)用。實(shí)際上，越來(lái)越多便攜電子設(shè)備采用USB供電，但需要保護(hù)本地USB電源夠用受外部Vbus故障影響。NCP382能夠通過(guò)在輸出負(fù)載超過(guò)限流閾值或出現(xiàn)短路時(shí)切換至恒流模式，將輸出電流限制在期望的電平(0.5 A、1 A或1.5 A)，從而提供過(guò)流保護(hù)。NCP381接收2.5 V至5.5 V的單路輸入，提供2路輸出。圖6是NCP382的典型應(yīng)用電路圖。
圖6：NCP382典型應(yīng)用電路圖。
高集成度開(kāi)關(guān)電池充電器幫助加快便攜設(shè)備電池充電速度
消費(fèi)者可能會(huì)采用墻式AC適配器或USB輸入來(lái)為便攜設(shè)備充電。一般而言，墻式AC適配器的充電電流更大(如可達(dá)1.5 A)，所需充電時(shí)間較短；而USB充電電流相對(duì)較小(如500 mA)，時(shí)間更長(zhǎng)。但即便是采用USB輸入充電，消費(fèi)者也期望能夠更快速地完成充電。安森美半導(dǎo)體的NCP1851開(kāi)關(guān)電池充電器就是一款滿足消費(fèi)者在這方面期望的高集成度IC。這器件接受3.6 V至16 V的寬輸入電壓范圍，提供可在7 V至16 V之間選擇的正向過(guò)壓鎖定，提供正向+30 V/負(fù)向-30 V輸入過(guò)壓保護(hù)。這器件集成了DC-DC升壓電路，用于5 V USB OTG應(yīng)用(電流250 mA)，并提供5 V USB收發(fā)器保護(hù)。NCP1851還集成電池FET驅(qū)動(dòng)器，支持“電池電量耗盡”(dead battery)工作。這器件的充電電流可達(dá)1.5 A，還集成了電池溫度監(jiān)測(cè)功能，在充電時(shí)保護(hù)電池安全，非常適合于便攜設(shè)備的快速電池充電應(yīng)用。
圖7：NCP1851開(kāi)關(guān)電池充電器功能示意圖。
應(yīng)用于便攜設(shè)備的其它電源管理IC及分立器件
安森美半導(dǎo)體為智能手機(jī)等便攜設(shè)備的電源管理提供豐富的IC及分立器件，除了上述電源管理IC，還包括用于應(yīng)對(duì)手機(jī)藍(lán)屏死機(jī)問(wèn)題的2路輸入復(fù)位產(chǎn)生器CAT871、供電電流僅為典型值220 nA的NanoPower電壓監(jiān)控器CAT8836、提供高精度(±0.5%)及低靜態(tài)電流(典型值1.5 μA)的監(jiān)控器NCP308、超低電源電壓及低靜態(tài)電流單路/雙路監(jiān)控器NCP309、在兩路電源之間自主選擇的電源選擇開(kāi)關(guān)CAT6500、監(jiān)控電池不同故障條件的電池保護(hù)IC CAT6300，以及用于電池保護(hù)及負(fù)載管理等應(yīng)用的不同分立元器件，如通用晶體管CPH6153及PCP1103，肖特基二極管/整流器(NSR10F30NX、NSR20F20NX、SS3003CH)、功率MOSFET(如NTHD4P02、NTR4101、NTHD3101、NTLJF3117、NTLJD3115、ECH86xx、EMH1303、MCH3477、MCH6336、MCH6421、SCH1331、SCH1433等)。
除了電源管理子系統(tǒng)，安森美半導(dǎo)體還為便攜設(shè)備的其它主要子系統(tǒng)(照明及用戶界面子系統(tǒng)、音視頻子系統(tǒng)、連接器子系統(tǒng))提供豐富的方案，涵蓋背光驅(qū)動(dòng)器、閃光驅(qū)動(dòng)器、各類傳感器、AB/D類音頻放大器、耳機(jī)放大器、音頻管理集成電路、模擬開(kāi)關(guān)、數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)、USB開(kāi)關(guān)、電平轉(zhuǎn)換器、ESD/EMI濾波器、時(shí)鐘及集成無(wú)源器件(IPD)等。
總結(jié)：
安森美半導(dǎo)體身為全球高能效電子產(chǎn)品的首要硅方案供應(yīng)商，針對(duì)智能手機(jī)等便攜應(yīng)用提供豐富的解決方案。本文重點(diǎn)探討了安森美半導(dǎo)體的各種高性能、高能效電源管理方案，包括高集成度微型電源管理IC、DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器、LDO線性穩(wěn)壓器、過(guò)壓保護(hù)及過(guò)流保護(hù)IC、開(kāi)關(guān)電池充電IC以及分立元器件等，怎樣配合便攜設(shè)備的應(yīng)用要求及技術(shù)趨勢(shì)，幫助設(shè)計(jì)工程師選擇適合的元器件方案，并加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。