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消费电子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。
便携式设备的另外一个趋势是加入高容量的微型硬盘驱动器，从而使智能手机、PMP等拥有高密度存储能力。所用的大部分硬盘驱动器都具有一个直径为1英寸或更小的盘片，在盘片旋转加速的过程中，峰值电流需求有可能高达500mA，这无疑给紧张的功率预算雪上加霜。2.5寸、3寸甚至5寸彩色lcd屏的逐渐采用也使得高效率的LED背光和LCD偏压继续成为备受关注的电源|稳压器管理技术。此外，由于MP3、PDA、GPS设备和笔记本电脑大量使用USB接口，兼具数据传输和充电的单一miniUSB接口成为手机未来的发展趋势，这也要求有新的电池管理和电源管理芯片。
幸运的是，不断发展的电源管理技术正在满足便携式消费电子产品对电池使用时间、功能集成度、可靠性、外形因子以及成本这些看起相互矛盾的应用需求。例如，采用电源路径管理技术的电池充电器IC允许在给电池充电的同时运行系统；结合了开关型调节器和LDO调节器优势的新型电源管理IC可进一步提高功率转换效率；动态功率调节技术有效提高了负载功率的使用效率；电源管理单元(PMU)更是可以在一个很小的面积里集成了几乎所有电源功能，最大限度地减少了电源系统占位面积。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调节器、PMU、LED电源驱动IC等电源管理技术的最新发展趋势和解决方案。
电源路径管理技术满足同时充电和负载供电需求
大多数便携式消费产品通常都可以通过一个AC适配器、一根通用USB电缆或一节锂离子/锂聚合物电池来供电。有时人们希望在给设备充电的同时继续观看视频、打电话或者玩游戏。为满足充电过程中的系统大电流需求，很可能出现充电电流比较小，造成充电管理指示不准确的现象。因此，这些电源之间的电源路径管理非常重要。
凌力尔特的LTC3555可解决这些问题，它对AC适配器、USB电缆和锂离子电池之间的功率路径进行无缝管理，并遵循USB电源标准。该芯片还具有一个可提供高达1.2A充电电流的全功能锂离子/锂聚合物电池充电器，以及3个高效同步降压型转换器(用于产生大多数USB外设都需要的低电压轨)。LTC3555的功率传输方法不同于现有的电池和电源管理IC(后者是充电器馈送系统)。在此类系统中，外部电源并不直接向负载供电，而是采用AC适配器或USB端口来给电池充电，然后再由电池向负载供电。如果电池被深度放电，则在负载获得功率的过程中会有一个延迟。这是因为在电池获取所需的最小电荷量之前是不能够从它那里吸取功率的。采用LTC3555可消除该延迟，从而使得便携式设备能够在墙上适配器或USB电源接入后立即上电。此外，该芯片还将把负载未使用的所有可用功率都用来给电池充电。
“这能带来两个好处，即消除充电延迟，且允许电池充电和负载供电同时进行，从而延长了应用的有效运行时间，并在与USB电缆相连时加快了充电速度。这种电源管理方法的另一项优势是在可以使用AC或USB电源的情况下提高效率。”凌力尔特公司产品市场经理Tony Armstrong表示。
此外，手机充电器及接口技术的标准化符合人们的需求，单一的miniUSB接口既用于数据传输又用作供电，成为未来的发展趋势。TI的单节锂离子电池充电管理芯片BQ24070正好可满足这一需求。作为TI高集成度bqTINY-III系列充电与系统电源管理器件的一员，它集成了2A AC电源开关、1.5A充电FET、电流传感器、反向阻断保护和热稳压等电池管理功能。它采用了TI的动态电源路径管理(DPPM)技术，可为系统供电同时独立为电池充电，并根据系统电压动态调节充电电流。
TI公司的高性能模拟产品高级市场营销工程师何信龙介绍道，“BQ24070支持单一的miniUSB接口，可自动选择AC Adapter或USB供电，并可根据不同的电源选择不同的充电速率。当电源供应不足，而充电时Wi-Fi、蓝牙和手机电视等功能又需要瞬间大电流时，电池可以补充供电。”
近年来，多功能电池电源管理IC可承担电池充电、DC/DC转换、电池保护、电池监视或电源选择功能。例如TI的TPS65800也对USB端口和AC适配器电源提供灵活的充电和系统电源路径管理。它对由单芯锂离子或锂聚合物电池供电的应用，也具有多电源输出和几种电路选择。TPS65800在独立对电池进行充电时，还对系统进行供电，减少了电池的充电和放电周期。它能自动选择USB端口或AC适配器作为系统的电源。在USB配置中，主机可以在预设置的100mA和500mA充电速率中选择。IC基于系统负载对USB充电速率进行动态调整，以保持100mA或500mA的充电速率。
Microchip公司的MCP73811及MCP73812型(MCP7381x)锂离子/锂聚合物充电管理控制器，也提供全集成的充电管理功能，以及高至500mA的可选或可编程充电电流。它们兼容USB，同时配备集成电流感应、传输晶体管，以及板上逆向电池保护功能。MCP7381x充电管理控制器可兼容USB输出功率规格，能够通过大部分个人计算机上的USB端口取电，无需连接外部电源适配器。此外，这些器件具有片上热调节功能，能在温度超出安全水平时降低充电电流。
集成LDO和DC/DC调节器的方案平衡效率和尺寸
手机的基带处理器传统上利用LDO线性调节器供电，其优点是在各种条件下的输出噪声偏差低、外部元件少、尺寸小、易使用，缺点是效率低，而且效率随芯片组电压的下降而降低。随着手机功能对功率需求不断增加，设计者正采用DC/DC调节器来代替LDO，以提高效率和维持电池寿命。尽管DC/DC调节器提供了一种高效率的替代方案，但它要成为理想的电源管理器件，还需解决尺寸、噪声和开关损耗较大的问题。
飞兆半导体公司Bruno Kranzen经理表示，由于电池的能量或容量将难以随着电源要求不断提高，因此在更小的外形尺寸中提供更高效率的DC/DC转换是有效的办法，在这些系统中存在一种用开关DC/DC调节器替代线性调节器的趋势。”
例如，飞兆半导体的高速开关DC/DC调节器FAN5350的开关频率达到3MHz，专为手持式应用的内核处理器供电而设计。ADI公司的ADP2102是一个600mA、3MHz的降压调节器，与微型陶瓷感应器和电容器共存时仍然可以提供高达93%的效率。
ADI公司便携式电源产品市场总监Arcadio Leon认为：“提高频率可以采用较小的电容和电感，从而减少占位面积，但由于提高工作频率也降低了总系统效率，所以未来的挑战在于在工作频率和形状因子之间找到一个理想的平衡。” 伴随开关频率的升高，DC/DC调节器的效率优势会大打折扣。2MHz频率下DC/DC开关引起的损耗占总损耗的20%，但在8MHz频率下，开关损耗会上升到40%以上。
显然，一种平衡效率、尺寸和成本的方法是结合开关式DC/DC调节器和LDO的新型电源管理IC，它们具有前者的高效率，以及后者的小尺寸和易用性优势。
比如，Micrel最近推出的电源管理芯片MIC2800提供三个电压输出：一个开关式DC/DC调节器输出、两个LDO输出。片上2MHz DC/DC调节器可提供高达600mA的电流，效率达到93%以上，只需要微型的2.2μF输出电容和一个2.2μH电感来稳定电压。该公司的电源产品市场和应用总监Ralf Muenster举例说，在数字多媒体广播(DMB)应用中，若采用LDO将锂离子电池电压分别转换为1.8V(给I/O供电)和1.2V(给内核供电)，效率分别为50％和33％，而采用集成在MIC2800中的DC/DC调节器将锂离子电池电压降低到1.8V，效率为93%；然后用集成在MIC2800中的LDO将1.8V转换为1.2V，效率为66%。另一个LDO输出则提供第三个电压，如2.8V的RF电压轨。
Micrel公司电源产品市场和应用总监Ralf Muenster
安森美公司的NCP1526双输出DC/DC调节器也集成了3MHz的步降开关调节器和LDO调节器，为数字多媒体广播(DMB)芯片组或WLAN模块中的数字内核电路和RF电路提供电源。这种具有数个DC/DC调节器和LDO输出的电源子系统有助解决翻盖或滑盖手机的板面布局问题，缩短从主板PMU到翻盖PCB的电源走线，减少EMI问题。
安森美半导体产品市场营销经理何佳汉还表示，电源管理器件不仅应显著提高满载工作(当前的基准为90%)下的功率转换效率，还需降低长时间待机(当前的基准为1uA)状态下的能耗。对于 DC/DC调节器而言，技术发展趋势将采用更多在 PWM 模式与脉冲模式(替代纯 PWM 模式)间进行自动转换，以节省轻载工作下的能耗。
