移動電話和平板電腦等便攜式設備需要電源管理技術來滿足日益具有挑戰性的性能要求。消費者正在以新的方式使用智能手機：他們希望顯示高清 GPS 視頻和地圖;進行雙向視頻通話;玩更吸引人的游戲;和流音樂。此類應用的片上系統 (SoC) 項目還必須符合嚴格的散熱目標，同時滿足長電池壽命要求。

第三代“智能”手機將傳統手機與個人數據助理(PDA)、數碼相機(DSC)和音樂播放器(MP3)等功能相結合。可充電鋰離子 (Li-ion) 電池是移動電子產品的電源。它的高能量密度保證了比其他類型的電池在尺寸和重量上更大的功率。此外，它的工作電壓使其能夠為 DC/DC 解決方案獲得長壽命和高轉換效率。

估算移動設備的能耗是設計的基本要素。目的是設計設備以最小化其能量消耗。振蕩器、CPU、I/O 端口和模擬外設等單個組件必須被視為計算的一部分。有效的能源管理提出了越來越復雜的設計挑戰。電池壽命低會導致客戶不滿意。

電池

為了滿足這些設計目標，電源管理子系統的設計從電池開始。充電周期、老化和溫度等因素會隨著時間的推移降低鋰離子電池的性能。正確管理和控制可充電電池對于優化電池壽命至關重要。

電池管理由三個部分組成：充電監控、保護和控制。電池監控和保護 IC 通常由電池本身提供。然而，充電控制是便攜式設備的一部分。隨著時間的推移，充電控制器件有了顯著的發展，為高密度、高速數字電路實現了更短的最小柵極長度，但也為更多的模擬和電源應用實現了更高電壓的器件。

線性控制拓撲在低功率電池組充電到 1 A 以下的應用中效果很好。但是，開關模式拓撲更適合需要 1 A 或更高充電速度的大型電池組。開關模式拓撲更高效，并且在充電過程中產生的熱量最小，但如果封裝不正確，會產生電磁干擾 (EMI)。

圖 1：Texas Instruments 用于電池充電管理的 bq24259。(圖片：德州儀器)

Texas Instruments 的 bq24259 是一款開關模式電池充電管理和系統電源路徑管理器件，適用于單節鋰離子和鋰聚合物電池(圖 1)。IC 分三個階段自動為電池充電：預調節、恒流和恒壓。

移動和便攜式鋰離子設備的設計人員可以通過使用 MAX17262 單節電池和 MAX17263 單節/多節電池集成電路的充電電平指示器來延長電池壽命并提供有關電池充電狀態 (SOC) 的信息，從而提高性能來自美信集成。MAX17262 和 MAX17263 器件將傳統的庫侖計數與新的 ModelGauge m5 EZ 算法相結合，用于電池的高精度 SOC，無需對電池本身進行表征(圖 2)。

圖 2：簡單的電量計電路圖。(圖片：美信集成)

多核芯片的電源管理

SoC 項目的計算量不斷增加，以通過執行機器視覺和其他深度學習算法的硬件加速器添加更多功能。然而，與此同時，這些功能強大的多核芯片需要能夠進一步提高能效并創建更靈活的電源序列的解決方案。

對降低能耗的需求和不斷增加的移動設備的出現將微電子技術導向越來越多的超低功耗解決方案，這些解決方案利用了動力、太陽能、熱能和射頻 (RF) 等環境能源。充分利用這些資源并不容易。檢測、控制和調節是設計中的關鍵因素，可以確定能量收集系統的整體效率。

電源管理系統的挑戰是以最大效率提供恒定電壓輸出。隨著微電子技術的最新進展，低功耗系統可以管理能量收集，以滿足當今集成電路在不同工作情況下的微瓦和納瓦低功耗。

優化能源性能的重要性變得更加關鍵，技術上也更加困難。電源管理集成電路 (PMIC) 具有高度可編程性，使其能夠支持單核或多核應用處理器以及所有智能手機子系統(例如網絡和堆棧連接(3G、4G LTE、 Wi-Fi、藍牙和 NFC)、顯示器、百萬像素相機等。

除了具有正確電壓和電流組合的基帶處理器之外，PMIC 還必須管理多達 30 個總線軌。SoC 設計人員可以通過使用專用 PMIC 提供的單個低壓和低電流電源棒來降低電源管理成本。

當今的數字調制技術在每個 RF 通道中壓縮更多位的數據，從而導致具有更高“波峰因數”的更復雜的電路布局，以峰均功率比 (PAPR) 表示。PMIC 為 OEM 工程師在智能手機平臺的開發中提供了更大的設計靈活性，使他們能夠針對不同的市場和產品的“生命周期”推出更多的模型和項目。

PMIC 示例

NXP、瑞薩電子和德州儀器 (TI) 提供的解決方案為各種電源管理應用提供可擴展、安全且靈活的解決方案。這些 PMIC 可以支持多種設備，以延長電池壽命并降低功耗。所有解決方案都提供可編程性、效率和高集成度。

例如，TI 的 TPS65216 PMIC 專門設計用于為 AMIC110 和 AMIC120 處理器提供電源管理。(圖 3)。

圖 3：TI TPS65216 的典型應用電路。(圖片：德州儀器)

恩智浦為各種 i.MX 應用處理器系列提供一系列 IC，以優化能效和軟件/硬件集成。它們將開關和線性穩壓器與電池管理功能集成在一起。

ROHM Semiconductor 還通過其 BD71837MWV 繼續支持 NXP 處理器。該器件集成了 i.MX 8M 處理器和系統外圍設備所需的所有電源軌。I.MX 8M Mini 處理器允許客戶以最低成本將語音接口集成到音頻和視頻流設備上。與BD71837MWV一起，ROHM還推出了集成DDR電源和IO系統的BD71847AMWV。

Renesas 的 ISL95852A 為三個高效同步降壓穩壓器集成了功率 MOSFET、故障保護和監控功能。ISL95852A 采用 WLCSP 封裝。PMIC 控制器將來自電池或適配器的系統電壓轉換為英特爾 IMVP8 規范要求的三個必要的處理器電壓。

Dialog Semiconductor 的 DA9070 PMIC 集成了電流高達 500 mA 的線性充電器，并提供多種省電模式以延長電池壽命。與其他分立解決方案相比，集成 PMIC 可將電源管理占用空間減少 25%。

結束語

手機繼續擴展，成為我們日常所需的個人信息設備。能源性能將越來越成為設計挑戰。物聯網 (IoT) 表明了對無線世界的需求，給便攜式設備的電池壽命帶來了進一步的壓力，需要不斷關注能源管理創新。

審核編輯：湯梓紅