配合智慧手机等可携式应用要求及技术趋势的安森美半导体电源管理方案

近年來,手機等可攜式裝置市場持續快速發展。據預計,手機出貨量將從2011年的14億部增長至2014年的18億部;其中又以智慧型手機市場耀眼,受大量低成本Android手機上市推動,同期智慧手機出貨量將從4億部增長至6.8億部,而且智慧手機的半導體元件含量遠高於功能型或入門型手機。與此同時,領先製造商更加重視使用者體驗,其舉措之一是在產品設計中選擇能夠更好配合智慧手機等可攜式裝置應用要求及技術趨勢的產品及方案。

安森美半導體身為全球高能效電子產品的首要矽方案供應商,針對可攜式應用提供豐富的解決方案。本文將重點探討安森美半導體的高性能、高能效方案如何配合智慧手機等可攜式應用的要求及技術趨勢,幫助設計工程師選擇適合的元件方案。

高整合度PMIC簡化設計,加快產品上市進程
眾所周知,可攜式裝置整合的功能越來越多,從拍照到音視訊播放、遊戲乃至位置服務等,不一而足。而隨著3G乃至4G網路基礎設施的就緒,使用者越來越習慣於透過智慧手機等可攜式裝置來以無線方式訪問豐富的資料及多媒體內容,需要可攜式裝置嵌入更多更強大的射頻(RF)模組。相應的代價是功率消耗越來越高,而電池容量及技術方面的進展仍然緩慢,可攜式裝置設計人員必須適應此種結合許多功能的高整合度趨勢,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。

為了應對這些挑戰,可攜式裝置設計人員的一項可行策略就是在選擇整合多種功能的主晶片組,同時選用高整合度的電源管理積體電路(PMIC),幫助簡化設計,使控制電源所需的資源減至最少,並將外形因數保持在可控範圍之內。


圖1:安森美半導體提供的mini-PMIC功能示意圖。

安森美半導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整合多個DC-DC開關轉換器或低壓降(LDO)線性轉換器,同時還可能整合其它多種控制或保護功能等,如匯流排控制、排序器、功率良好(PG)監控、啟用(Enable)、帶隙參考、振盪器、欠壓鎖定及熱關閉等保護功能或動態電壓調節(DVS)等。安森美半導體的mini-PMIC目前包括NCP6922、NCP6914、NCP6924及NCP69xy等(功率及功能遞增)。

以NCP6922為例,此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),同時整合了核心、上電排序器、熱保護及時脈等多種功能(詳見圖2),採用2.05 mm x 2.05 mm CSP封裝,不僅減小方案尺寸,還藉I2C控制提供設計彈性,適用於要求多種穩壓輸出、使用數位訊號處理器(DSP)和/或微處理器的電池供電可攜式裝置。此元件支援2.3 V至5.5 V輸入電壓範圍,配合最新電池技術;還支援高達3 MHz的DC-DC工作頻率,可以減小輸出電感及電容的尺寸;靜態電流消耗低至64 μA,幫助延長電池使用時間;還支援動態電壓調節(DVS),提升系統能效。


圖2:安森美半導體的NCP6922 mini-PMIC整合2路DC-DC、2路LDO及其它多種功能。

值得一提的是,安森美半導體的此系列mini-PMIC可以提供客製化的上電排序功能,以適應不同平臺應用需求。此系列IC中整合的LDO可以採用DC-DC輸出供電,進一步提升能效。其它優勢包括以I2C控制提供設計彈性、支援低至2.3 V的電壓以配合新電池技術、提供間距低至0.4 mm的QFN及CSP封裝等。安森美半導體還提供豐富的智慧財產權(IP)庫及模組化途徑,幫助客戶應對高整合度趨勢,以及加快產品上市進程。

降壓或升壓DC-DC開關穩壓器配合應用處理器供電或HDMI埠供電
雖然高整合度PMIC的應用日益增多,但在可攜式產品中,不是所有電源域都需要使用高整合度PMIC。而隨著可攜式產品功能不斷增多,整合度相對較低的電源轉換IC的需求也增加了,以此配合增加新功能。

例如,對於可攜式產品而言,為了給高耗電的應用處理器供電,設計人員可能需要使用DC-DC開關穩壓器。安森美半導體推出了整合度相對較低的系列DC-DC開關降壓轉換器IC,如NCP6334B/C、NCP6338、NCP636x模組等。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。以NCP6334B/C為例,這是一款2 A、3 MHz DC-DC降壓轉換器,整合了功率良好(PG)及工作模式選擇(PWM模式或PFM/PWM自動模式)功能,是一款節省成本及空間的方案,非常適合於為要求以低電壓提供大功率的新型微處理器供電。


圖3:適合HDMI埠供電的CAT3200HU2低雜訊電源IC。

NCP6338功能與NCP6334類似,但可提供高達6 A輸出電流,配合最新處理器需求。NCP636x模組則是0.8 A、6 MHz DC-DC降壓轉換器模組,高達6 MHz的開關頻率便於採用更小尺寸外部元件,使總方案尺寸小於5 mm2(最高1 mm),尤其適合公差極有限的可攜式應用。

值得一提的是,如今許多智慧手機都配備HDMI介面,方便使用者傳輸視頻資料。這些HDMI介面採用+5 V電壓供電,高於可攜式產品中常用的鋰離子電池的供電電壓,這時候就需要DC-DC升壓轉換器。有利的是,安森美半導體推出了針對HDMI埠供電應用的低雜訊電荷泵DC-DC升壓轉換器CAT3200HU2,此元件接受2.7 V至4.5 V輸入,提供5 V/100 mA(及可調節輸出),採用UDFN-8封裝,適合於3 V至5 V的升壓轉換(也適合2.5 V至3.3 V升壓轉換),典型應用包括HDMI及DisplayPort埠供電等。圖3顯示的是典型應用電路。

低電流、低雜訊LDO配合延長電池使用時間及減小尺寸
如前所述,儘管高整合度PMIC在智慧手機可攜式產品中應用增多,但獨立的DC-DC開關穩壓器或LDO仍有充足應用空間,如需要LDO來配合可攜式裝置將電池使用時間延至最長並將尺寸減至最小,特別是那些射頻(RF)及雜訊敏感型功能仍然需要使用低雜訊的LDO。以手機為例,LDO的典型應用包括音訊插孔、相機模組、顯示屏模組、GPS模組、介面、LCD/觸控式螢幕控制、麥克風、GSM/WCDMA 射頻子電路板、藍芽模組及USB埠等。

安森美半導體提供適合可攜式應用的寬廣陣容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也非常適合可攜式應用,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方塊圖及典型應用電路圖。

以CAT6289為例,這是一款超低工作電流(典型值400 nA)的NanoPower LDO,輸入電壓範圍為1.8 V至5.5 V,提供8種標準電壓輸出,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。此元件採用小型1.5 mm x 1.5 mm TDFN-6封裝,能夠幫助可攜式裝置延長電池使用時間,並配合小外形因數設計。

配合可攜式裝置不同充電應用OVP及OCP保護方案
智慧手機等採用鋰離子電池供電的可攜式裝置在日常充電/供電應用中,可能面臨正向/負向過壓、過流等風險,故需要安全的保護方案。安森美半導體的可攜式裝置OVP保護方案主要包括針對牆式適配器/USB充電的30 V/高達3 A系列產品(如NCP347/348、NCP349、NCP367、NCP370、NCP372及NCP391等),以及針對USB充電的20 V/500 mA系列產品(如NCP360、NCP361、NCP362及NCP373等);OCP保護方案如NCP380、NCP381及NCP382等。

以NCP367為例,這是一款提供+30 V過壓保護及高達3 A過流保護、帶電池電壓檢測功能的保護IC(見圖5)。此元件保護可攜式裝置電池免受輸入過壓(在出現故障工作條件下會斷開系統與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的低導通電阻,幫助降低方案成本及電路板佔用空間。支持高達3 A電流的能力幫助實現快速充電。典型值50 μA的極低電流消耗相容於USB 500 μA閒置模式。此元件能用於1.5 A或500 mA兩種充電電流等級,非常適合手機等應用。


圖5:NCP367典型應用電路圖。

NCP382則是一款功率分配開關,其設計針對很可能會遇到大的電容性負載或短路的應用。實際上,越來越多可攜式電子裝置採用USB供電,但需要保護本地USB電源夠用受外部Vbus故障影響。NCP382能夠通過在輸出負載超過限流閾值或出現短路時切換至恆流模式,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的典型應用電路圖。


圖6:NCP382典型應用電路圖。

高整合度開關電池充電器幫助加快可攜式裝置電池充電速度
消費者可能會採用牆式AC適配器或USB輸入來為可攜式裝置充電。一般而言,牆式AC適配器的充電電流更大(如可達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。但即便是採用USB輸入充電,消費者也期望能夠更快速地完成充電。安森美半導體的NCP1851開關電池充電器就是一款滿足消費者在這方面期望的高整合度IC。此元件接受3.6 V至16 V的寬輸入電壓範圍,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/負向-30 V輸入過壓保護。此元件整合了DC-DC升壓電路,用於5 V USB OTG應用(電流250 mA),並提供5 V USB收發器保護。NCP1851還整合電池FET驅動器,支持「電池電量耗盡」(dead battery)工作。此元件的充電電流可達1.5 A,還整合了電池溫度監測功能,在充電時保護電池安全,非常適合於可攜式裝置的快速電池充電應用。
 

圖7:NCP1851開關電池充電器功能示意圖。

應用於可攜式裝置的其它電源管理IC及離散元件
安森美半導體為智慧手機等可攜式裝置的電源管理提供豐富的IC及離散元件,除了上述電源管理IC,還包括用於應對手機藍屏死機問題的2路輸入復位產生器CAT871、供電電流僅為典型值220 nA的NanoPower電壓監控器CAT8836、提供高精度(±0.5%)及低靜態電流(典型值1.5 μA)的監控器NCP308、超低電源電壓及低靜態電流單路/雙路監控器NCP309、在兩路電源之間自主選擇的電源選擇開關CAT6500、監控電池不同故障條件的電池保護IC CAT6300,以及用於電池保護及負載管理等應用的不同離散元件,如通用電晶體CPH6153及PCP1103,蕭特基二極體/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,安森美半導體還為可攜式裝置的其它主要子系統(照明及使用者介面子系統、音視訊子系統、連接器子系統)提供豐富的方案,涵蓋背光驅動器、閃光驅動器、各類感測器、AB/D類音訊放大器、耳機放大器、音訊管理積體電路、類比開關、數位訊號處理器(DSP)、USB開關、電平轉換器、ESD/EMI濾波器、時脈及整合被動元件(IPD)等。

總結:
安森美半導體身為全球高能效電子產品的首要矽方案供應商,針對智慧手機等可攜式應用提供豐富的解決方案。本文重點探討了安森美半導體的各種高性能、高能效電源管理方案,包括高整合度微型電源管理IC、DC-DC開關穩壓器、LDO線性穩壓器、過壓保護及過流保護IC、開關電池充電IC以及離散元件等,怎樣配合可攜式裝置的應用要求及技術趨勢,幫助設計工程師選擇適合的元件方案,並加快產品上市進程。

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