近年來,，手機等便攜設(shè)備" title="便攜設(shè)備">便攜設(shè)備市場持續(xù)快速發(fā)展,。據(jù)預(yù)計，手機出貨量將從2011年的14億部增長至2014年的18億部,；其中又以智能手機" title="智能手機">智能手機市場耀眼,，受大量低成本Android手機上市推動，同期智能手機出貨量將從4億部增長至6.8億部,，而且智能手機的半導(dǎo)體元件含量遠(yuǎn)高于功能型或入門型手機,。與此同時，領(lǐng)先制造商更加重視用戶使用體驗,，其舉措之一是在產(chǎn)品設(shè)計中選擇能夠更好配合智能手機等便攜設(shè)備應(yīng)用要求及技術(shù)趨勢的產(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，針對便攜應(yīng)用提供豐富的解決方案,。本文將重點探討安森美半導(dǎo)體的高性能,、高能效方案如何配合智能手機等便攜應(yīng)用的要求及技術(shù)趨勢,，幫助設(shè)計工程師選擇適合的元器件方案,。
高集成度" title="高集成度">高集成度PMIC簡化設(shè)計，加快產(chǎn)品上市進程
眾所周知,，便攜設(shè)備集成的功能越來越多,，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,，用戶越來越習(xí)慣于透過智能手機等便攜設(shè)備來以無線方式訪問豐富的數(shù)據(jù)及多媒體內(nèi)容，需要便攜設(shè)備嵌入更多更強大的射頻(RF)模塊,。相應(yīng)的代價是功率消耗越來越高,，而電池容量及技術(shù)方面的進展仍然緩慢，便攜設(shè)備設(shè)計人員必須適應(yīng)這種結(jié)合許多功能的高集成度趨勢,，提供足夠長的電池使用時間,，同時配合消費者對纖薄外形的需求。
為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn),，便攜設(shè)備設(shè)計人員的一項可行策略就是在選擇集成多種功能的主芯片組,，同時選用高集成度的電源管理集成電路(PMIC)，幫助簡化設(shè)計,，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),，其功能示意圖參見圖1。這些微型電源管理IC集成多個DC-DC" title="DC-DC">DC-DC開關(guān)轉(zhuǎn)換器或低壓降(LDO)線性轉(zhuǎn)換器,，同時還可能集成其它多種控制或保護功能等,，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)閉等保護功能或動態(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),，同時集成了內(nèi)核、上電排序器,、熱保護及時鐘等多種功能(詳見圖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)計靈活性,，適用于要求多種穩(wěn)壓輸出,、使用數(shù)字信號處理器(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,，幫助延長電池使用時間；還支持動態(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,，進一步提升能效。其它優(yōu)勢包括以I2C控制提供設(shè)計靈活性,、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產(chǎn)權(quán)(IP)庫及模塊化途徑,，幫助客戶應(yīng)對高集成度趨勢,，以及加快產(chǎn)品上市進程。
降壓或升壓DC-DC開關(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)計人員可能需要使用DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器,。安森美半導(dǎo)體推出了集成度相對較低的系列DC-DC開關(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配合延長電池使用時間及減小尺寸
如前所述,，盡管高集成度PMIC在智能手機便攜產(chǎn)品中應(yīng)用增多，但獨立的DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器或LDO仍有充足應(yīng)用空間,，如需要LDO來配合便攜設(shè)備將電池使用時間延至最長并將尺寸減至最小,，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。以手機為例,，LDO的典型應(yīng)用包括音頻插孔,、相機模塊、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電流時的典型壓降為380 mV，1 kHz時的典型電源抑制比(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)備延長電池使用時間，并配合小外形因數(shù)設(shè)計,。
配合便攜設(shè)備不同充電應(yīng)用OVP及OCP保護方案
智能手機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)向過壓、過流等風(fēng)險，故需要安全的保護方案,。安森美半導(dǎo)體的便攜設(shè)備OVP保護方案主要包括針對墻式適配器/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USB充電的20 V/500 mA系列產(chǎn)品(包括NCP360,、NCP361、NCP362及NCP373等),；OCP保護方案包括NCP380,、NCP381及NCP382等。
以NCP367為例,，這是一款提供+30 V過壓保護及高達(dá)3 A過流保護,、帶電池電壓檢測功能的保護IC(見圖5)。這器件保護便攜設(shè)備電池免受輸入過壓(在出現(xiàn)故障工作條件下會斷開系統(tǒng)與Vbus或AC-DC適配器的連接),、充電過流及充電過壓影響,。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,，非常適合手機等應(yīng)用,。
圖5：NCP367典型應(yīng)用電路圖。
NCP382則是一款功率分配開關(guān),，其設(shè)計針對很可能會遇到大的電容性負(fù)載或短路的應(yīng)用,。實際上，越來越多便攜電子設(shè)備采用USB供電,，但需要保護本地USB電源夠用受外部Vbus故障影響,。NCP382能夠通過在輸出負(fù)載超過限流閾值或出現(xiàn)短路時切換至恒流模式，將輸出電流限制在期望的電平(0.5 A,、1 A或1.5 A),，從而提供過流保護。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,。
高集成度開關(guān)電池充電器幫助加快便攜設(shè)備電池充電速度
消費者可能會采用墻式AC適配器或USB輸入來為便攜設(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)，所需充電時間較短,；而USB充電電流相對較小(如500 mA),，時間更長。但即便是采用USB輸入充電,，消費者也期望能夠更快速地完成充電,。安森美半導(dǎo)體的NCP1851開關(guān)電池充電器就是一款滿足消費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之間選擇的正向過壓鎖定,，提供正向+30 V/負(fù)向-30 V輸入過壓保護。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。NCP1851還集成電池FET驅(qū)動器,，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)測功能,，在充電時保護電池安全,，非常適合于便攜設(shè)備的快速電池充電應(yīng)用。
圖7：NCP1851開關(guān)電池充電器功能示意圖,。