電池的選擇
在設(shè)計電源管理系統(tǒng)時，首要任務(wù)是選擇可充電電池。目前只有兩種選擇，分別是 NiMH 電池及鋰離子電池。鋰離子電池的體積與重量能量密度（270~300 Wh/l 與 110~130 Wh/kg）通常高于 NiMH 電池（220~300 Wh/l 與 75~100 Wh/kg）。因此，對于相同的能量來說，鋰離子電池比相應(yīng)的 NiMH 電池的體積更小、重量更輕。此外，鋰離子電池的工作電壓 (3.6V) 要高于 NiMH 的工作電壓 (1.2V)。大多數(shù)手機的電源均使用 1.2V 及 3.3V 。要最大限度地提高開關(guān)轉(zhuǎn)換器的效率，通常從高電平降壓至低電平要比從低電平升壓至高電平的效率高。因此，鋰離子電池是最佳的選擇。
正確管理與控制可充電電池對最大限度地延長電池使用壽命來說至關(guān)重要。電池管理包括三個組成部分：電荷控制、電池監(jiān)控與電池保護。電荷控制 IC 從具有外部元件的線性控制器到具有集成開關(guān)、更高效、基于開關(guān)的控制器，經(jīng)歷了巨大的發(fā)展。電池充電器必須處理的電流范圍為 500mA 至 1500 mA，以提供更短的充電周期。電池本身通常自帶電池監(jiān)控與保護 IC。電池監(jiān)控 IC 像“庫侖計數(shù)器”那么簡單，CPU 必須通過該 IC 來計算所剩的電池使用壽命，以便對集成微處理器進行電量監(jiān)測，該微處理器可通過簡單的通信接口直接向 DSP/CPU 提供剩余電量、可使用時間、電壓、溫度以及平均電流測量值。
電源拓撲
接下來，設(shè)計人員必須確定電源 IC 的類型，不管它是基于電感器的開關(guān)轉(zhuǎn)換器（具有集成 FET）、無電感器的開關(guān)轉(zhuǎn)換器（或充電泵），還是線性穩(wěn)壓器。每種類型都有各自的優(yōu)勢。從效率方面來看，基于電感器的開關(guān)整體效率最高，其次是充電泵，最后才是線性穩(wěn)壓器。成本通常與效率成反比，線性穩(wěn)壓器的成本最低廉，其次是充電泵，最后是基于電感器的開關(guān)。線性穩(wěn)壓器沒有輸出紋波，而充電泵有一些輸出紋波，開關(guān)則是這三者中輸出紋波最高的一個。從解決方案的總體大小來看，線性穩(wěn)壓器的體積最小，通常只需要一個輸入與輸出電容器；除了輸入與輸出電容器之外，充電泵另外還需要一個或兩個“快速”電容器 (flying capacitor) ；開關(guān)需要一個電感器，其封裝大小各不相同。
2G 電話的集成度較低，其集成器件可能是數(shù)字器件（如 DSP 與 ADC），也可能是模擬組件（如電源管理系統(tǒng)）。在設(shè)計電源管理系統(tǒng)時，系統(tǒng)設(shè)計人員通常會先考慮成本及大小，然后再考慮其效率。由于線性穩(wěn)壓器只能對其輸入電壓進行降壓，所以只有當電壓降至 3.3V 時才能使用該電池。使用中低電流的線性穩(wěn)壓器可以將電池電壓降至 3.0V 至 2.8V 范圍內(nèi)的剩余電源電壓。在 3.xG 電話芯片組中，目前的基帶處理器包括 DSP、微處理器／控制器、用于控制射頻的 ADC 與 DAC 以及音頻信號處理。該處理器的內(nèi)核電壓將降至 1.2V 或 1.2V 以下，而 I/O 與外設(shè)電壓則開始降至 2.5V 到 3.0V 之間。由于 3.xG 電話電源電平的電流需求通常大于2G電話，因此 3.xG 設(shè)計人員需要 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以提供比線性穩(wěn)壓器更高的效率，從而延長電池使用壽命。
要進一步延長電池使用壽命，許多設(shè)計人員都需要考慮在終端電壓降至 2.7V 時使用鋰離子電池。為此，他們面臨著生成 3.3V電壓的挑戰(zhàn)。如果設(shè)計人員將電池電壓降至 2.7V，并使用正降壓－升壓或 SEPIC 轉(zhuǎn)換器來提供 3.3V電壓，則便攜設(shè)備將會有更長的電池使用壽命，這似乎有一定的道理。但是，如果對表 1 中的 600 mAh 電池進行簡單分析就會發(fā)現(xiàn)情況并非如此（表 1）。如果充分利用 SEPIC型轉(zhuǎn)換器的電池電量，而不是將電池電壓穩(wěn)定在 3.3V，并使用最高效率的降壓轉(zhuǎn)換器，則所節(jié)約的電池電量非常有限。
此外，如果考慮到雙電感器 SEPIC 轉(zhuǎn)換器的成本較高，或 考慮到某些新型、更高效率的正降壓－升壓轉(zhuǎn)換器，則將電池電壓穩(wěn)定在 3.3V 并使用高效率開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器來提供 3.3V 也不失為一種有效的方法，甚至可能是一種更誘人的選擇。因此，下面介紹的離散解決方案使用了降壓轉(zhuǎn)換器，而集成解決方案則使用SEPIC 轉(zhuǎn)換器來提供 3.3V 。
系統(tǒng)概述
智能電話中對不同組件的電源要求不同。圖 2 中顯示了蜂窩電話中主要組件電源需求的簡單結(jié)構(gòu)圖。例如，射頻部分的 VCO 與 PLL 要求電源電平具有極低的噪聲與極高的電源抑制，以確保提供最高的收發(fā)性能。因此，盡管線性穩(wěn)壓器的效率非常低，但由于它沒有輸出紋波，因而對于該電平來說是最佳的選擇。此外，它對在 IF 頻帶外保持 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的交換頻率以及其第 2 個與第 3 個諧波來說非常重要。由于 DSP/CPU 內(nèi)核電壓已降至大約 1V 左右，因此基于電感器的高效率開關(guān)降壓轉(zhuǎn)換器也是合適的選擇。提供屏幕背光的白色 LED 可通過充電泵或基于電感器的升壓轉(zhuǎn)換器來實現(xiàn)供電。
動態(tài)電壓估量
圖1顯示了功率需求最大的兩個組件，一個是射頻部分，其主要是發(fā)送器的功率放大器 (PA)，另一個是基帶處理器。根據(jù)電話距離基站的遠近程度，一次呼叫 PA 可消耗高達 75% 的總電量，而在待機模式下僅消耗 30%。通常，帶有非線性 PA 的舊式 GSM 電話發(fā)送器的效率大約為 50%。但是，像 WCDMA 這樣的最新標準則要求幅度與相位同時調(diào)制，而這只能通過工作效率在 25% 至 35% 之間的線性 PA 來提供。此外，CDMA2000 1x 電話的正?；鶐幚砥髫撦d要求均在 60 至 120 mA 之間。因此，為 PA 及處理器提供最大功效是至關(guān)重要的。
與大規(guī)模集成 IC 中所采用的技術(shù)類似，動態(tài)／自適應(yīng)電壓估量 (DVS/AVS)在閉環(huán)系統(tǒng)中將處理器與穩(wěn)壓器鏈接在一起，該系統(tǒng)可對數(shù)字電源電壓進行動態(tài)調(diào)節(jié)，以達到執(zhí)行相應(yīng)操作所需的最低電平。PA 經(jīng)過專門優(yōu)化，可在最大的發(fā)送功率下提供最高的效率。由于大多數(shù)手機在使用時都距基站較近，因此手機無線電可將發(fā)送功率降至維持高質(zhì)量通信所需的最低水平。電源級別降低時，PA 效率也會相應(yīng)降低。從圖 3 中可以看出，通過采用動態(tài)電壓估量并調(diào)節(jié)功率放大器的電壓，可以將效率提高10% 到 20%。
由于數(shù)字處理器的功耗與電壓的平方成正比，因此動態(tài)電壓估量也可用于CPU。如果 CPU 在待機或某些其它功能減少的模式下能夠以較低的頻率繼續(xù)操作，則可降低其電壓，以降低功耗、提高效率并延長電池使用壽命。例如，假設(shè)OMAP1510 芯片使用具有 3.6 V、1Ahr 鋰離子電池輸入的 TPS62200 來進行供電，其特性如下：
無 DVS 的深度休眠（PFM 模式下的 TPS62200）：
Vout = 1.5V @ 300uA
效率 = 93%
具有 DVS 的深度休眠（PFM 模式下的 TPS62200）：
Vout = 1.1V @ 250uA
效率 = 93%
AWAKE （PWM 模式下的 TPS62200）：
Vout= 1.5V @ 100mA
效率 = 96%
假設(shè)用法配置為 5% 的 AWAKE 及 95% 的深度休眠，可以將輸出電源與時間的關(guān)系繪制成圖形，從圖中可以看出，通過采用深度休眠模式下的 DVS，電池使用壽命可延長 9 小時。
離散解決方案
圖 4 顯示了通過分立 IC 并將電池電壓限制在 3.3 V 的條件下實施的電源管理系統(tǒng)。
在該解決方案中，高效 TPS62200 降壓轉(zhuǎn)換器以 100% 的占空度模式運行，使得鋰離子電池的電壓幾乎可以降至 3.3 V，同時仍可提供 3.3 V I/O 電平。除了bq24020 電池充電器、TPS61020 升壓轉(zhuǎn)換器及 TPS61042 WLED 驅(qū)動器采用 3×3 mm2 QFN 封裝之外，上述所有組件均采用 SOT-23 封裝。TPS61040 與 TPS61042集成了高側(cè) FET，每個組件只需要一個外部二極管。bq24020、TPS622xx、TPS61020 以及線性穩(wěn)壓器器件均集成了 FET。功率放大器及CPU 電源電平上的動態(tài)電壓估量功能通過提高每個組件的效率，有助于降低功耗。
集成解決方案
借助最新的工藝技術(shù)，可以更輕松地組合、快速修改與／或充分利用現(xiàn)有的分立 IC 設(shè)計，以生產(chǎn)出不同級別的集成 IC。例如，普通雙開關(guān)轉(zhuǎn)換器 IC 與雙高 PSRR、低噪聲線性穩(wěn)壓器、專用白色 LED 電源、手機、PDA 以及數(shù)碼相機多電平電源管理解決方案目前均已上市。采用電源 IC（如下圖 5 中 所示的集成解決方案中所使用的 TPS65010）的終端設(shè)備均集成了外設(shè)，它的功能包括從支持手機的振鈴與蜂鳴器控件到支持 PDA 的通用 I/O（如GPIO）。
在此解決方案中，3.3 V I/O 電平由 SEPIC 轉(zhuǎn)換器提供，該轉(zhuǎn)換器允許鋰離子電池降至其最低電平（大約2.7 V）。如同在離散解決方案中一樣，由穩(wěn)壓器提供的電平可從 3.3V 電平開始降低，以提高效率。TPS65010 采用 48 引腳 QFN 封裝，并完全集成了 FET。采用 4×4mm2 QFN 封裝的 TPS61130 SEPIC 轉(zhuǎn)換器集成了 FET，并可獲得 90% 以上的效率。TPS5100 是一款三輸出控制器，專門設(shè)計用于電源顯示。PA 及 CPU 電源軌上的動態(tài)電壓估量功能通過提高每個組件的效率，有助于降低功耗。
如何取舍離散解決方案與集成解決方案
如何在離散解決方案與集成解決方案之間進行選擇呢？通常，集成 IC 比多個額定值相等的分立 IC 更便宜。此外，如下圖 6 中的 PCB 布局圖所示，TPS65010 及相應(yīng)的無源元件所占的板級空間比具有相同功能的分立 IC 所占用的空間更小。這在很大程度上是由于跟蹤分立 IC 之間的路由需要額外的空間。由于 TPS65010 包括附加功能，如電源電平序列、振動器及 LED 驅(qū)動器（不然的話，這些功能要通過分立 IC 來實施），因此集成解決方案可節(jié)約更大的 PCB 空間。
過去，集成 IC 的專用程度非常高，并且靈活性不高。因此，在設(shè)計周期的后期，不能對其進行重大的設(shè)計變更。但是，新型制造工藝技術(shù)（包括用于對輸出電壓軌進行編程的集成 EEPROM 以及后封裝微調(diào)）使得現(xiàn)有 IC（如具有不同固定輸出電壓的 IC）的“精細”簡單修改變得更為輕松、快速，并且成本更為低廉。另一方面，備用電源往往不可用于集成 IC 的事實可能會迫使使用離散解決方案。
未來面臨的挑戰(zhàn)
消費者希望能夠延長智能電話的工作時間。最新開發(fā)的 IC 加工工藝具有更低的漏電流及更小的電阻（有時通過銅疊加），分別轉(zhuǎn)化為具有更低靜態(tài)電流及更小阻抗的 FET。它們最終均可使電源 IC 的效率更高。例如，具有集成FET的 TPS6222x 400 mA 降壓轉(zhuǎn)換器采用 SOT-23封裝，最高可提供近 93% 的效率。但是，與不斷發(fā)展的半導體技術(shù)不同的是，在電池技術(shù)方面仍未出現(xiàn)不增大電池尺寸即可延長其使用壽命的重大進展。在電容器發(fā)展過程中所取得的某些進展，使得可充電電池與電容器之間的區(qū)別越來越小。當換電池時，普遍采用高能量超級電容器來為便攜設(shè)備供電。此外，高能量、高功率超級電容器還可提供瞬時強電流，因而可通過其提供突發(fā)能量進行電池防護，以延長電池使用壽命。這些超級電容采用點滴式充電方式，不會產(chǎn)生噪聲，并且可集成到電池包中。有關(guān)燃料電池的介紹有很多，但目前安瓿 (ampoule) 尚未標準化。由于缺乏標準，因而無法對其進行廣泛分銷，也就很難全面實現(xiàn)商品化。此外，燃料電池的輸出瞬態(tài)響應(yīng)能力也較差。至少在一開始，推出的燃料電池只是作為補充件而非替代品。
此外，消費者還希望封裝器件的體積更小但功能更強。創(chuàng)新型電源管理 IC 設(shè)計以及封裝與工藝技術(shù)改進有助于實現(xiàn)該目標。緊縮技術(shù)節(jié)點可以生產(chǎn)出體積更小的 FET，從而減小整個芯片及封裝大小、降低工作電壓、降低門電容，進而提高交換速度。對于基于電感器的交換電源來說，交換速度越快，電感器的體積就越小。新型封裝技術(shù)能夠以更小的外形提供更強的功能以及更低的功耗。例如，具有集成 FET 通用元件的 bq24010 鋰離子線性充電器采用3X3 mm2 QFN 封裝，在溫度適中的環(huán)境下可提供低至 1.5 W 的功耗。
但是，在較低的工作電壓范圍內(nèi)改進功能通常會對電源管理結(jié)構(gòu)以及低噪聲布局提出更嚴格的容差要求。例如，如果 1.2V 電源的容差為 +/-3%，則要求輸出的變化范圍不得超過 +/-36mv；而如果 3.3 V 的容差為 +/-3%，則允許的變化范圍為 +/-99mV。因此，在今后幾年內(nèi)，對 DC/DC 轉(zhuǎn)換器盡可能以更小的外形提供更嚴格的容差、更高的電流、更高的效率以及極低的 EMI 的要求將日益增長。此外，隨著體積的減小，進而導致散熱面減小，這些高功耗 IC 的熱管理所面臨的挑戰(zhàn)也越來越嚴峻。
集成電源
目前，電源解決方案采用集成度不同的電源 IC。將部分或全部模擬電源 IC 與數(shù)字組件（如基帶處理器）集成在一起的優(yōu)勢包括：大大節(jié)約了 PCB 空間，降低了總體成本。過去，要實現(xiàn)更高一級的數(shù)字與模擬組件集成的障礙之一就是，復雜電子儀器每個部分的要求各不相同。數(shù)字基帶部分要求高密度的工藝技術(shù)來進行數(shù)字信號處理，而模擬基帶與電源部分則需要更高電壓的器件。射頻部分尤其是 PLL，則要求 BiC MOS 器件為高頻率運行進行了專門優(yōu)化。過去，數(shù)字設(shè)計人員忽略了工藝發(fā)展，并且一味致力于高密度工藝，因此需要高電壓器件的電路只能采用其它工藝，即單獨的數(shù)字 IC。最近，半導體制造商不僅致力于開發(fā)單一 BiCMOS 工藝，以縮小最短門長，從而提高密度與速度，而且為模擬與電源應(yīng)用推出擴展的高電壓器件。最后，包括電源管理在內(nèi)的許多數(shù)字與模擬功能都將集成在同一芯片上。