中心議題：
- 配合智能手機等便攜應用要求及技術(shù)趨勢的電源管理方案
解決方案：
- 高集成度PMIC
- 降壓或升壓DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器
- 低電流、低噪聲LDO
- 配合便攜設(shè)備不同充電應用OVP及OCP保護方案
- 高集成度開關(guān)電池充電器
- 應用于便攜設(shè)備的其它電源管理IC及分立器件
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近年來，手機等便攜設(shè)備市場持續(xù)快速發(fā)展。據(jù)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體元件含量遠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)備應用要求及技術(shù)趨勢的產(chǎn)品及方案。
安森美半導體身為全球高能效電子產(chǎn)品的首要硅方案供應商，針對便攜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能手機等便攜應用的要求及技術(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集成多個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：安森美半導體的NCP6922 mini-PMIC集成2路DC-DC、2路LDO及其它多種功能。
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值得一提的是，安森美半導體的這系列mini-PMIC可以提供定制的上電排序功能，以適應不同平臺應用需求。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)壓器配合應用處理器供電或HDMI端口供電
雖然高集成度PMIC的應用日益增多，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，安森美半導體推出了針對HDMI端口供電應用的低噪聲電荷泵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)，典型應用包括HDMI及DisplayPort端口供電等。圖3顯示的是典型應用電路。
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)品中應用增多，但獨立的DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器或LDO仍有充足應用空間，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、GSM/WCDMA 射頻子電路板、藍牙模塊及USB端口等。
安森美半導體提供適合便攜應用的寬廣陣容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也非常適合便攜應用，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框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，輸入電壓范圍為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。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。
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配合便攜設(shè)備不同充電應用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的低導通阻抗，幫助降低方案成本及電路板占用空間。支持高達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，非常適合手機等應用。
圖5：NCP367典型應用電路圖。
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載或短路的應用。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的典型應用電路圖。
圖6：NCP382典型應用電路圖。
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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用。
圖7：NCP1851開關(guān)電池充電器功能示意圖。
應用于便攜設(shè)備的其它電源管理IC及分立器件
安森美半導體為智能手機等便攜設(shè)備的電源管理提供豐富的IC及分立器件，除了上述電源管理IC，還包括用于應對手機藍屏死機問題的2路輸入復位產(chǎn)生器CAT871、供電電流僅為典型值220 nA的NanoPower電壓監(jiān)控器CAT8836、提供高精度(±0.5%)及低靜態(tài)電流(典型值1.5 μA)的監(jiān)控器NCP308、超低電源電壓及低靜態(tài)電流單路/雙路監(jiān)控器NCP309、在兩路電源之間自主選擇的電源選擇開關(guān)CAT6500、監(jiān)控電池不同故障條件的電池保護IC CAT6300，以及用于電池保護及負載管理等應用的不同分立元器件，如通用晶體管CPH6153及PCP1103，肖特基二極管/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(tǒng)，安森美半導體還為便攜設(shè)備的其它主要子系統(tǒng)(照明及用戶界面子系統(tǒng)、音視頻子系統(tǒng)、連接器子系統(tǒng))提供豐富的方案，涵蓋背光驅(qū)動器、閃光驅(qū)動器、各類傳感器、AB/D類音頻放大器、耳機放大器、音頻管理集成電路、模擬開關(guān)、數(shù)字信號處理器(DSP)、USB開關(guān)、電平轉(zhuǎn)換器、ESD/EMI濾波器、時鐘及集成無源器件(IPD)等。
總結(jié)：
安森美半導體身為全球高能效電子產(chǎn)品的首要硅方案供應商，針對智能手機等便攜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，包括高集成度微型電源管理IC、DC-DC開關(guān)穩(wěn)壓器、LDO線性穩(wěn)壓器、過壓保護及過流保護IC、開關(guān)電池充電IC以及分立元器件等，怎樣配合便攜設(shè)備的應用要求及技術(shù)趨勢，幫助設(shè)計工程師選擇適合的元器件方案，并加快產(chǎn)品上市進程。
