便携式产品的电源管理

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1、便携式产品的电源管理 深圳市长运通集成电路设计有限公司 杨通军 1、引言 近几年来，电源管理一直是半导体领域热点市场之一，其增速也高于半导体整体市场发展速度。而基于消费类电子产品的手机、多媒体播放器( PMP)、MP3 播放器、数字相机、便携式视频游戏机、个人导航系统(PNA)等等，这些深受消费者喜爱的便携式产品的一个基本问题是：它们的功能越来越丰富，外形尺寸也日益精巧，但电池能量密度的提高速度远远跟不上复杂度不断提高的便携式设备的功耗要求，而人们却希望能在充电时间间隔较长的情况下，利用这些轻薄短小的便携式消费电子享受移动娱乐和移动通讯。特别是这些产品功能的融合趋势，例如将带拍照和摄像功能的手

2、机、个人数字助理(PDA)、全球定位系统(GPS)、MP3 以及视频功能集成到一个智能手机中，进一步加剧了这个问题的严重性。 便携式电子产品常用的电源采用锂电池供电 ,对电源的设计需要系统级思维，在开发由电池供电的设备时，诸如手机、 MP3、 PDA、 PMP、数码产品等低功耗产品，如果电源系统设计不合理，则会影响到整个系统的架构、产品的特性组合、元件的选择、软件的设计和功率分配架构、电池的使用寿命等。同样，在系统设计中，也要从节省电池能量的角度出发多加考虑。例如现在便携产品的处理器，一般都设有几个不同的工作状态，通过一系列不同的节能模式（空闲、睡眠、深度睡眠等）可减少对电池容量的消耗。即当用

3、户的系统不需要最大处理能力时，处理器就会进入电源消耗较少的低功耗模式。现从下面三个方面来简单的说明便携产品设计电源时需要注意的事项: 1）便携产品常用电源管理芯片有以下几个单元: （ 1）低压差线性稳压器（ Linear Regulators） (LDO VLDO)。 （ 2 ）基于电感器储能的 DC/DC 转换器； (Inductor Based Switching Regulators BuckBoostBuck-Boost)。 （ 3）基于电容器储能的电荷泵 (Switched Capacitor Regulators)。 （4）电源管理单元（PMU）/光源驱动管理单元（ LMU）。 （

4、 5）电池充电管理（ Battery Chargers）。 （ 6）锂电池保护（ Lithium Battery Protection）。 2）设计时选用的要点： （ 1）选用电源芯片从低成本、高性能、多芯集成和产品上市时间来考虑； （ 2）便携产品日趋小巧薄型化，必需考虑电源芯片体积小、重量轻的问题； （ 3）选用电源管理芯片力求高集成度、高可靠性、低噪声、抗干扰、低功耗、突破散热瓶颈，延长电池寿命； （ 4）选用具有新技术的新产品电源芯片，将新的电源芯片应用于新的设计方案中去，是保证新产品先进性的基本条件，也是便携产品电源管理的永恒追求。 3）便携产品电源芯片发展的趋势: （1）多种电源功

5、能芯片的整合集成，如 PMU、 LMU； （2）提高芯片的工作频率，以便使用更小的周边电路器件； （3）将周边电路的无源元件整合集成在芯片和 PMU、 LMU 之 中，使最终产品的设计选用更方便，使用面积更小、使用 成本更低廉； （ 4） 优良的抗干扰和低噪音性能，多芯片可编程控制的睡眠/ 工作模式； （5）芯片封装趋向超薄、超小，节省使用面积和空间； （6）追求更高的效率； （7）要求有良好的散热解决方案 从以上三个方面可以看出便携式产品 的发展对电源的要求越来越高,幸运的是不断发展的电源管理技术正在满足便携式电子产品设计对电源提出的要求,长运通就是能为便携式电子产品电源设计提供全面解决方案

6、的一家 IC 设计公司,目前我们已经开发出一系列电源管理IC. 我公司现有的产品如下: （1）线性稳压器(CYT8117CYT78L05), （2）基准稳压源(CYT431CYT432), （3）低压差线性稳压器系列(CYT6118,CYT6119,CYT6619,CYT6167, CYT6168, CYT6218, CYT6508, CYT6603, CYT6606, CYT6169, CYT6121, CYT6802), （4）LED 背光及照明驱动器(CYT2506,CYT1916,CYT9910,CYT7135,CYT7150), （5）电压检测器(CYT809)， （ 6 ） DC-

7、DC 直流转换器 (CYT2606,CYT2700,CYT2708,CYT3400, CYT3406, CYT34063A), （7）锂电池充电管理(CYT5026), （8）音频功率放大器(CYT4990), （9）触摸屏(CYT2046), （10）ESD 保护(CYT3205), （11）恒压恒流控制器(CYT1051) 结合我司的产品,本文将重点讨论面向便携式消费电子产品应用的电池充电管理 IC、 LDO、DC/DC 转换器、音频功放、触媒屏电路控制、LED 背光驱动 IC 等电源管理技术的解决方案。 2、 单节锂电池充电 IC-CYT5026 锂电池充电 IC 是一个片上 系统(So

8、C)， 它由读取使能微控制器、2 倍涓流充电控制器、电流环误差放大器、电压环误差放大器、电压比较器、温度感测比较器、环路选择和多工驱动器、充电状态逻辑控制器、状态发生器、多工 器、LED 信号发生 器、MOSFET 、基准电压、电源开机复位、欠电压锁定、过流/短路保护等十多个不同功能的 IC 整合在一个芯片上。它是一个高度集成的智能化芯片。锂电智能充电过程是：涓流充恒流充恒压充电压检测，因此电路设计的关键是要做到：充分保护、充分充电、自动监测、自动控制，如图 1所示。 图1 锂电池充电曲线 CYT5026 是一颗专门为单节锂电池制做的高精度线性充电管理芯片。只需一个外围元件，就能很好地解决电池

9、充电的问题。此外 CYT5026 的设计遵循 USB 产品设计规范，可使用在直接由 USB 端口供电给电池充电的 USB 类产品， CYT5026 同样也可以使用在单独给锂电池充电的充电器中。 CYT5026可以通过检测电池电压来控制其充电状态， 当电池电压低于2.9V电压时， CYT5026将用 1/10 倍的充电电流给电池进行预充电，当电压达到 2.9V 时，将用设定恒流给电池充电，电池电压达到 4.2V 时，CYT5026 将转恒压模式，充电电流将逐渐减小。CYT5026 的典型应用电路如图 2 所示。 图 2 CYT5026 典型应用电路图 主要特点: A.设计最大输出充电电流达 80

10、0mA。 B.极少的外部元件，不需外接传感电阻、MOSFET 和二极管。 C.恒流/恒压工作模式,不会因为负荷温度过高而需要热保护。 D.可直接由 USB 端口给单节锂电池充电。 E.输出精度达1%的 4.2V 标准电压。 F.关闭状态下静态电流 1A。 G. 2.9V 开始设定电流充电。 H.充电电流外部可调 3、400mA 低压差稳压器-CYT6119 LDO的内部拓扑结构由作为电流 主通道的MOSFET、作反向保护 的肖特基二极管、作输出电流大小检测的敏感电阻、过温/过压保护电路、输出电压取样反馈电路、比较放大器、基准电源、使能电路等几部分构成，新的LDO还包括开机 系统自检的Power

11、 OK 。特别的手机上选用的 LDO有四大要素： 压差、噪音、共模抑止比、静态电流，这是LDO的四大关键数据，产品设计师按产品负载对电性能的要求结合四大要素来选择LDO。 在手机上用的LDO要求尽可能小的噪音（纹波），没有RF的便携式产品需求静态电流小的LDO。 LDO 要求尽可能小的噪音(纹波)是最基本的原则；随着数码相机 CMOS Lens 的像素提高到5M-10M 以上，因而中高档的 DSC 方案纷纷采用双 LDO 应用于 CM OS Lens 供电，CMOS Lens 需要有二组不同电压的电源，如 1.8V 和 2.8V，电流在 100-150mA，所以双 LDO 是一适用而有竞争力的

12、芯片。 图 3 LDO 的内部拓扑结构 CYT6119 是使用 CMOS 技术开发的低压差， 高效率线性稳压器。 轻载时候典型压降是 15mV，满载时候典型压降是 600mV，输出电压精度可达 2%。CYT6119 静态电流低至 65A，从而可以延长电池工作时间。CYT6119 非常适合应用于手持和电池电源设备. 产品特点: A. 输出电流 150mA 时压降典型值 175mV B. 输出电流可达 400mA C. 良好的负载特性和线性调整率 D. 良好的温度特性 E. 内置过温过流保护和短路保护 F. 空载输出稳定 4、电源管理芯片 DC/DC （ 同步升压转换器 -CYT3400） 当输入

13、与输出的电压差较高时，开关稳压器避开了所有线性稳压器的效率问题。它通过使用低电阻开关和磁存储单 元实现了高达96%的效率，因此极大地降低了转换过程中 的功率损失。选用开关频率高的DC/DC可以极大地缩小外部电感器和电容器的尺寸和容量 。 开关稳压器的缺点较小，通常可以用好的设计技术来克服。但是电感器的频率外泄干扰较难避免，设计应用时对其EMI辐射需要考虑。 CYT3400是采用6引脚ThinSOT封装的高效、固定频率同步升压型DC/DC转换器，该器件包括一个内部NMOS开关和PMOS同步整流器，能够采用单节AA电池输入提供3.3V/100mA的输出。1.2MHz的开关频率允许采用外型小巧而扁平

14、的电感器和陶瓷电容器，从而最大限度地减少方案中的占位面积。PWM电流模式内部设有补偿。使外部元件得到减少，CYT3400在轻负载条件下进行连续的开关模式操作，抗振铃控制电路通过在不连续的模式中对电感进行阻尼来抑制EMI, 图4 CYT3400内部方框图 主要特点： A. 效率高达 92% B低起动电压：0.9V C. 1.2MHz 的开关频率 D. 内部同步整流器 E. 输入电压 0.6V 到 4.4V F. 具有短路保护 G. 2.5V 到 5.0V 的输出范围 H. 抗振铃控制电路实现了 EMI 最小。 5、 音频功率放大器 (CYT4990) CYT4990 是适用于移动电话及便携通讯设

15、备的音频功率放大器。 5V 电压时，最大驱动功率为 2W（ 4 BTL 负载），音频范围内总谐波失真噪声小于 0.1（ 1 20KHz)。 CYT4990 的应用电路简单，只需要极少数外围器件， CYT4990 输出不需要外接耦合电容或上举电容，采用 MSOP、 CSP 封装，节约电路面积，非常适合移动电话及各种移动设备等使用低电压、低功耗应用方案上使用。 CYT4990 可以通过控制进入休眠模式，从而降低功耗。 CYT4990 通 过创新的“开关 /切换噪声”抑 制技术，杜绝了上电、掉电出现的噪声。 CYT4990 工作稳定，增益带宽积高达 2.5MHz，并且单位增益稳定。通过配置外围电阻可

16、以调整放大器的电压增益，方便应用。 图 5 CYT4990 原理框图 主要特点 : A 高电源电压抑制比（PSRR），在217Hz及1KHz时，达到70db B 低噪声及谐波失真（THDN），小于0.1（5V，4 ，2W时） C 输出功率高（THDN1%)：5V2W（4 负 载，LLP封装），5V1.25W（8 负载），3V600mW（4 负载），3V450mW（8 负载） D 掉电模式漏电流小，小于0.1A E 封装小，节约电路板面积：LLP，TSOP，MSOP，ITL F 上电、掉电噪声抑制 G 宽工作电压范围2.2V 5.5V H 不需驱动输出耦合电容 L 单位增益稳定 J 用户可选的高、低电平控制休眠模式 6、 触摸屏控制电路（ CYT2046） CYT2046 内部有 2.5V 的参考电压源，可以作为辅助输入、电池电压测量和片内温度测量的参考电压。当不使用时，参考