用于下一代移動(dòng)電話的電源管理劃分

第三代 (3G|0">3G) 手機(jī)可提供帶有更多功能的廣泛特性。當(dāng)消費(fèi)者從其通信設(shè)備上獲得最新及更好的功能時(shí)，他們還繼續(xù)要求從一塊電池上獲得更長(zhǎng)的工作時(shí)間及更小的外形系數(shù)。盡管IC集成可幫助解決設(shè)備尺寸問(wèn)題，但同時(shí)也會(huì)增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性及限制設(shè)計(jì)靈活性。今天的移動(dòng)電話設(shè)計(jì)者必須考慮各種因素，以通過(guò)有效優(yōu)化電池功率使用來(lái)延長(zhǎng)電池工作時(shí)間。因此，必須組合使用多種高集成電源管理單元及高性能分立元件來(lái)解決電池管理、功率保存及系統(tǒng)管理等問(wèn)題。

兩難選擇：功能與電池功率

在設(shè)計(jì)一種高級(jí)無(wú)線設(shè)備時(shí)，工程師面臨一個(gè)基本的兩難選擇。他們需要將大量功能集成到一個(gè)通常由電池與顯示屏尺寸、以及用戶接口復(fù)雜性與設(shè)計(jì)工效學(xué)所決定的給定外形系數(shù)中。此外，電池的可用能量由決定其能量密度與物理尺寸的化學(xué)特征決定。這些不斷變化的參數(shù)通常會(huì)迫使設(shè)計(jì)人員更有效地利用電池功率管理技術(shù)來(lái)滿足消費(fèi)者所期望的設(shè)備待機(jī)與工作時(shí)間。

今天的3G多功能手機(jī)支持好幾個(gè)空中接口，并能提供諸如GSM|0">GSM 及WCDMA|0">WCDMA等多波段modem連接。亦可通過(guò)藍(lán)牙、無(wú)線LAN、紅外及USB|0">USB接口來(lái)進(jìn)行其它連接。數(shù)碼相機(jī)已成為許多手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，它需要有成熟的相機(jī)引擎及高發(fā)光度閃光燈來(lái)拍攝高質(zhì)量照片。以更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，還可實(shí)現(xiàn)視頻電話功能。此外，高速應(yīng)用處理器還能提供音/視頻處理能力來(lái)執(zhí)行數(shù)字電視 ( DTV)|0">DTV) 信號(hào)與MPEG音頻編解碼。更新款的手機(jī)還計(jì)劃增加調(diào)頻收音機(jī)和數(shù)字電視調(diào)諧器來(lái)提高手機(jī)的娛樂(lè)價(jià)值。更高的數(shù)據(jù)吞吐量最終要求有高密度的存儲(chǔ)能力，這可通過(guò)存儲(chǔ)器擴(kuò)展槽或（甚至）微型硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。不難想象，這些無(wú)線手機(jī)還兼具有手持式游戲設(shè)備的功能。

作為能量來(lái)源的電池在系統(tǒng)中占據(jù)中心位置。今天，幾乎百分之百的3G手機(jī)都采用鋰離子電池，因?yàn)樗且环N可提供最高能量密度的可充電化學(xué)電池。從尺寸角度看，大多數(shù)電池都具有大約50 x 40 x 5 mm的尺寸，并能提供900 - 1200 mAh的容量。盡管燃料電池技術(shù)允諾將來(lái)能提供比鋰離子電池更高的能量密度，但由于技術(shù)與規(guī)章管制問(wèn)題，其廣泛使用估計(jì)還需數(shù)年的時(shí)間。此外，預(yù)計(jì)鋰離子電池技術(shù)的逐步改進(jìn)也會(huì)使其容量增加30%。因此，系統(tǒng)工程師目前基本上還會(huì)繼續(xù)使用可提供大約1500 -1800 mAh的鋰離子電池。

這種兩難選擇最終會(huì)迫使數(shù)字與模擬半導(dǎo)體技術(shù)轉(zhuǎn)向下一個(gè)低功率節(jié)點(diǎn)，并推動(dòng)超高效電池使用技術(shù)的發(fā)展。

集成與布局問(wèn)題

顯然，隨著將所有功能都整合到一個(gè)尺寸相對(duì)較小的外殼中，需要對(duì)一組高性能模擬與數(shù)字器件進(jìn)行集成。為突出復(fù)雜性，圖1給出了3G手機(jī)的主要系統(tǒng)架構(gòu)。

圖1：3G手機(jī)的系統(tǒng)組成框圖

圖字（上下、左右）：電源管理、處理單元、PA與WCDMA收發(fā)器、PA與GSM收發(fā)器、調(diào)頻接收器、藍(lán)牙處理器、高PSRR LDO、相機(jī)傳感器、相機(jī)閃光燈、相機(jī)引擎、升壓DC/DC、3MHz降壓DC/DC、振動(dòng)器－麥克風(fēng)－耳機(jī)－耳承－SIM卡、模擬基帶處理器、基帶電源 /音頻編解碼器與驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字基帶處理器、應(yīng)用處理器、存儲(chǔ)器、音頻綜合器、高PSRR LDO、鍵盤(pán)、顯示屏1、顯示屏1、3MHz降壓DC/DC、白LED驅(qū)動(dòng)器、白LED驅(qū)動(dòng)器、電池容量計(jì)、鋰離子電池。

但問(wèn)題是："哪些器件需要集成，又如何來(lái)解決手機(jī)外形系數(shù)對(duì)器件安放位置的影響這一問(wèn)題？"答案就是集成用于基帶處理器、音頻子系統(tǒng)及接口器件的標(biāo)準(zhǔn)電源，因?yàn)椴煌謾C(jī)平臺(tái)均采用類似的子系統(tǒng)與器件，而手機(jī)電源也采用同樣的基本芯片組。但也存在如下兩個(gè)內(nèi)在的主要問(wèn)題。首先，工業(yè)設(shè)計(jì)考慮允許根據(jù)所需功能及人機(jī)工程學(xué)來(lái)以各種不同方式設(shè)計(jì)手機(jī)。今天，電設(shè)計(jì)需要考慮能否將手機(jī)設(shè)計(jì)成塊糖、蚌殼或滑動(dòng)形狀，且全都采用不同的顯示屏、鍵盤(pán)與揚(yáng)聲器配置。這些設(shè)計(jì)差別對(duì)手機(jī)顯示屏、相機(jī)模塊及其他子系統(tǒng)的安放位置都有很大的影響，且在某種程度上會(huì)限制這些器件的集成。在某些情況下，電源或音頻功能的"一體化"集成可能意味著更長(zhǎng)的走線、復(fù)雜的印制板布局、或由噪聲帶來(lái)的電設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。其次，人們還不應(yīng)忘記手機(jī)廠商所要求的對(duì)手機(jī)型號(hào)系列的經(jīng)濟(jì)高效管理。為以不同手機(jī)型號(hào)來(lái)滿足市場(chǎng)需求，手機(jī)制造商必須以不同成本來(lái)提供各種特性與性能水平。為在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中獲得最高利潤(rùn)，這些型號(hào)的成本必須隨功能而改變，而這反過(guò)來(lái)又會(huì)限制將每一種功能都集成到一片大型IC上。如果特性不是給定型號(hào)系列所需要的，則應(yīng)將某些特定功能及其電源從板上卸下以減少成本。

此外，采用相同基本芯片組的手機(jī)廠商還需要使其產(chǎn)品有別于其他競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品，這反過(guò)來(lái)又推動(dòng)對(duì)各種不同特性的再集成。一種典型的產(chǎn)品差異化例子可能包括（但不限于）更亮的相機(jī)閃光燈、功能更強(qiáng)的噴燈模式、D類立體聲音頻性能、特殊顯示屏與鍵盤(pán)背光效果、MP3音頻播放功能、調(diào)頻廣播接收與精確電池容量計(jì)量等。

分立電源器件選擇

如圖1所示，為差異化子器件供電的典型非集成電源器件，可能是作為手機(jī)電池盒一部分的電池容量計(jì)、高效率但小體積的高頻DC/DC內(nèi)核電源、用于相機(jī)白閃光燈LED的高性能DC/DC升壓驅(qū)動(dòng)器、帶有機(jī)LED電源的白LED背光驅(qū)動(dòng)器、次顯示屏以及具有超低電源抑制比 (PSRR) 的線性調(diào)整器等。在進(jìn)行集成時(shí)，首先集成消費(fèi)者熟悉的一些已知特性。擁有更高性能及效率的領(lǐng)先模擬半導(dǎo)體技術(shù)--包括經(jīng)過(guò)優(yōu)化的分立電源管理器件等，將隨付運(yùn)量的增加及功能標(biāo)準(zhǔn)化而被越來(lái)越多地集成。為進(jìn)一步優(yōu)化電源管理并延長(zhǎng)電池工作時(shí)間，必須考慮以下三個(gè)方面的問(wèn)題。首先，電池管理必須能處理電池充電及容量測(cè)量。其次，電源轉(zhuǎn)換必須能盡可能有效地將電池功率轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可用電源。第三，用于分析處理器實(shí)際功耗并控制電源的系統(tǒng)電源管理必須能優(yōu)化電池功率的使用效率。第一與第二個(gè)方面可通過(guò)選擇合適的電源管理器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，而第三個(gè)方面則與處理一側(cè)的主要軟件開(kāi)發(fā)有關(guān)。

在電池管理中，電池"容量計(jì)"正變得日益流行。在傳統(tǒng)上，通常用以下方法來(lái)測(cè)量電池容量，即：先測(cè)量鋰離子電池的電壓，然后再用存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的容量查找表來(lái)得出有關(guān)可用電池功率的結(jié)果。但由于3G手機(jī)復(fù)雜的功耗特性及鋰離子電池性能隨時(shí)間、溫度及負(fù)載條件的變化，上述方法并不實(shí)用。為精確測(cè)量剩余電池容量以使處理器能更好地管理手機(jī)功耗，人們采用了具有"阻抗跟蹤"能力、并能測(cè)量進(jìn)出電池實(shí)際電量的高性能庫(kù)侖計(jì)。這使處理器能有效地部署電池節(jié)省模式、精確確定電池耗盡時(shí)間以及當(dāng)需要充電時(shí)向終端用戶告警等。圖2即顯示一種集成在電池盒中、并通過(guò)I2C|0">I2C通信接口向主處理器發(fā)送參數(shù)的庫(kù)倫計(jì)。

圖2：用于精確電池容量測(cè)量的電池容量計(jì)

而在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，DC/DC轉(zhuǎn)換器在提供用于LED驅(qū)動(dòng)與處理器內(nèi)核電源的高效率解決方案方面正扮演著越來(lái)越重要的角色。為提高數(shù)碼相機(jī)與視頻會(huì)議的性能，CMOS|0">CMOS與CCD|0">CCD傳感器的分辨率在不斷提高。簡(jiǎn)單物理學(xué)原理表明，以不斷提高的傳感器分辨率，需要有更高的光亮才能拍攝高質(zhì)量照片，這反過(guò)來(lái)又要求擁有更亮相機(jī)閃光燈能力的解決方案。今天許多手機(jī)相機(jī)閃光燈所提供的亮度比采用以小于100 mA的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)白LED 的"玩具閃光燈"所提供的亮度低很多。這種設(shè)計(jì)實(shí)際上完全不能提高拍攝照片的質(zhì)量。為真正使產(chǎn)品具有差異性，需要以接近1A的電流來(lái)驅(qū)動(dòng)高功率白LED 燈。而1A則是一個(gè)用電荷泵所難以達(dá)到的電流值，因?yàn)樗柘鄳?yīng)的2A電池電流會(huì)超出系統(tǒng)為此種功能（即照相功能）所預(yù)留的任何電池功率預(yù)算。為解決此電池電流問(wèn)題，圖3給出了一種可將700 mA電流驅(qū)動(dòng)至相機(jī)閃光燈應(yīng)用白LED中的高效率DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器。

圖3：用于高亮度相機(jī)閃光燈LED的高效率DC/DC升壓塊

手機(jī)中的幾種子系統(tǒng)可能需要有精確的內(nèi)核源電壓。線性調(diào)整器通常被認(rèn)為是一種用于電壓調(diào)整的小尺寸及低成本解決方案。但當(dāng)電流高于 200mA時(shí)，由于功耗過(guò)高，它們開(kāi)始需要既占空間又價(jià)格昂貴的散熱片。功耗是由供電時(shí)較大的輸入－輸出電壓差乘以輸出電流所致，例如，從3.6-V鋰離子電池上得到的1.2V / 500mA內(nèi)核電壓等。盡管線性調(diào)整器能以33%的效率來(lái)進(jìn)行這種調(diào)整，并因此而成為"燃燒"電池功率及產(chǎn)生熱量的主要來(lái)源，但DC/DC轉(zhuǎn)換器卻能以高于90% 的效率很好地工作，且只消耗LDO浪費(fèi)的一小部分功率。采用最高級(jí)模擬工藝與設(shè)計(jì)技術(shù)的最新一代DC/DC轉(zhuǎn)換器擁有好幾項(xiàng)空間節(jié)省特性。圖4給出了一種用于高達(dá)500-mA內(nèi)核電流的超小型及高精度DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器。由于兩個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管均為集成，故電路僅需一個(gè)電感及兩個(gè)小電容。獨(dú)特的控制架構(gòu)能使電源極迅速地對(duì)負(fù)載瞬變做出反應(yīng)，并保留+/-1% 的高電壓調(diào)整精度--正如當(dāng)今高性能處理內(nèi)核所要求的那樣。3MHz的開(kāi)關(guān)頻率可將電感尺寸減小至僅為1mH，從而允許使用高度小于1 mm的低高度芯片電感。器件還提供有芯片級(jí)封裝以將IC尺寸減小至2 mm x 1 mm。整個(gè)解決方案可構(gòu)建成能安裝至5 x 5 mm2 空間中。為進(jìn)一步優(yōu)化功耗，高級(jí)DC/DC調(diào)整器還具有自動(dòng)PFM/PWM模式轉(zhuǎn)換能力，以提高寬負(fù)載范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換效率。在輕負(fù)載條件下，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 模式，而當(dāng)負(fù)載電流高于50-mA時(shí)，則采用脈寬調(diào)制 (PWM) 控制方案，故能以高達(dá)80%-90%的效率來(lái)提供1.8-V及500-mA的內(nèi)核電源。

圖4：帶小器件與封裝的高頻3-MHz DC/DC轉(zhuǎn)換器

結(jié)論

電源與其他模擬器件的集成是不可避免的，集成的關(guān)鍵在于選擇那些已發(fā)展成為標(biāo)準(zhǔn)并被各種手機(jī)平臺(tái)所采用的功能。推動(dòng)功能差異化的領(lǐng)先技術(shù)一般首先采用可進(jìn)行特性定制的分立形式，這對(duì)于消費(fèi)者及手機(jī)型號(hào)系列管理來(lái)說(shuō)非常重要，而型號(hào)系列管理對(duì)于服務(wù)提供商及手機(jī)制造商來(lái)說(shuō)又非常關(guān)鍵。電源管理器件正繼續(xù)將尺寸、效率及功耗"推向極至"，并日益在減小手機(jī)尺寸與重量方面扮演重要角色。

作者簡(jiǎn)介

Patrick Heyer持有德國(guó)斯圖加特大學(xué)電機(jī)工程碩士學(xué)位及位于德州達(dá)拉斯的南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué)工商管理碩士學(xué)位。他擁有近10年的模擬半導(dǎo)體從業(yè)經(jīng)驗(yàn)，目前任德州儀器公司便攜式電源管理產(chǎn)品市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理。