3G手機(jī)中的電源管理分割探討

第三代(3G)手機(jī)可提供具有更多功能的各種特性。當(dāng)消費(fèi)者享用這些通信設(shè)備最新及更好功能的時候，他們還繼續(xù)要求單個電池的工作時間更長、手機(jī)的外形尺寸更小。盡管IC集成可幫助解決尺寸問題，但同時也會增加設(shè)計復(fù)雜度并限制設(shè)計靈活性。當(dāng)今的手機(jī)設(shè)計工程師必須考慮多種因素來有效地優(yōu)化電池使用，以延長電池工作時間。因此，必須結(jié)合使用高度集成化的電源管理單元和高性能分立器件來進(jìn)行電池管理、功率轉(zhuǎn)換以及系統(tǒng)管理。

圖1：3G手機(jī)的系統(tǒng)組成框圖。

兩難選擇：功能與電池功率

當(dāng)設(shè)計一款高級無線設(shè)備時，設(shè)計工程師將面臨一個兩難選擇。一方面，他們需要將許多功能集成到一個通常由電池和顯示屏的尺寸、復(fù)雜的用戶接口和設(shè)計工程學(xué)所決定的特定外形尺寸中;另一方面，電池的可用能量取決于決定它們能量密度與物理尺寸的化學(xué)特征，這些不斷變化的參數(shù)常常迫使設(shè)計工程師要更高效地使用電池功率，以滿足消費(fèi)者對待機(jī)時間和工作時間的要求。

如今的3G多功能手機(jī)能支持多個空中接口，不僅提供GSM、WCDMA等多波段調(diào)制解調(diào)器連接，還可通過藍(lán)牙、無線LAN、紅外以及USB接口進(jìn)行其它連接。數(shù)碼相機(jī)功能已成為許多手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，它需要復(fù)雜的相機(jī)引擎和高發(fā)光度的閃光燈來拍攝高質(zhì)量照片。隨著數(shù)據(jù)傳輸速度的增加，手機(jī)的視頻電話功能也有可能實現(xiàn)。此外，高速應(yīng)用處理器還提供強(qiáng)大的音/視頻處理能力，以支持?jǐn)?shù)字電視(DTV)信號和MPEG音頻編解碼。更新型的手機(jī)還將增加FM無線電和數(shù)字電視調(diào)諧器以增加手機(jī)的娛樂價值。數(shù)據(jù)吞吐量的提高最終將需要高密度的存儲容量，這可通過存儲器擴(kuò)展槽，甚至微型硬盤驅(qū)動器來實現(xiàn)。不難想象，這些無線設(shè)備大部分還將兼有便攜式游戲設(shè)備的功能。

作為能量來源的電池在系統(tǒng)中占有重要地位。如今，幾乎百分之百的3G手機(jī)都采用鋰離子電池，這種電池是所有可充電化學(xué)電池中能量密度最高的。大多數(shù)電池的尺寸大約為50×40×5mm，容量在900mAh至1,200mAh之間。盡管燃料電池技術(shù)所能提供的能量密度將大大高于鋰離子電池的能量密度，但由于技術(shù)與政策上的問題，預(yù)計還需數(shù)年時間燃料電池才能得到廣泛應(yīng)用。此外，鋰離子電池技術(shù)有望逐步得到改進(jìn)，其電池容量可能增加30(。因此，系統(tǒng)工程師基本上還會繼續(xù)使用可提供大約1,500-1,800mAh容量的鋰離子電池。

這種兩難選擇最終將驅(qū)動數(shù)字與模擬半導(dǎo)體技術(shù)轉(zhuǎn)向下一個更低的功率節(jié)點，并推動超高效電池使用技術(shù)的發(fā)展。

集成與布局的問題

很顯然，隨著所有功能都被集成到一個尺寸相對較小的設(shè)備中，對一組合適的高性能模擬與數(shù)字器件進(jìn)行集成變得非常必要。為強(qiáng)調(diào)這種集成的復(fù)雜性，圖1給出了3G手機(jī)的主要系統(tǒng)架構(gòu)。

圖2：用于精確測量電池電量的電池電量計。

但問題是：需要使哪些器件集成并如何解決手機(jī)外形尺寸對器件布局的影響?一個顯而易見的答案就是集成為基帶處理器、音頻子系統(tǒng)及接口器件供電的標(biāo)準(zhǔn)電源，這些標(biāo)準(zhǔn)電源為不同的手機(jī)平臺和使用同樣基本芯片組的手機(jī)供應(yīng)商所采用。但這存在兩個固有的重大挑戰(zhàn)。

首先，工業(yè)設(shè)計上的考慮將允許根據(jù)所需功能和人類工程學(xué)、以多種不同方式設(shè)計手機(jī)?，F(xiàn)在，電氣設(shè)計需要考慮到手機(jī)可能被設(shè)計成棒狀、蛤殼狀或滑動式手機(jī)造型，它們都是采用不同的顯示屏、鍵盤和揚(yáng)聲器配置。這些設(shè)計差異對如何放置顯示背光、相機(jī)模塊及其它子系統(tǒng)都有很大影響，而且在某種程度上還會限制這些元件的集成。有時候，電源或音頻功能的“一體化”集成可能意味著更長的走線、復(fù)雜的電路板布局或由噪聲帶來的電氣設(shè)計挑戰(zhàn)。

其次，手機(jī)制造商需要對手機(jī)型號系列進(jìn)行富有成本效益的管理。為了用不同的手機(jī)型號滿足市場需求，手機(jī)制造商必須提供特性和性能水平不同的產(chǎn)品，而這些產(chǎn)品的價格也都不一樣。要想在競爭激烈的市場中獲得最高利潤，這些手機(jī)的成本必須隨功能而改變，而這將無法把每種功能都集成到一個大IC上。如果某個特性不是給定的手機(jī)型號所想要的，那么應(yīng)從電路板上卸下這個特定功能及其電源，以減少成本。

此外，采用相同基本芯片組的手機(jī)制造商還需要使其產(chǎn)品有別于競爭對手的產(chǎn)品，這也促使不對各種主要特性進(jìn)行集成以保持產(chǎn)品的差異化。產(chǎn)品差異化的典型例子可能包括(但不限于)：更亮的相機(jī)閃光燈、更強(qiáng)大的噴燈模式、D類立體聲音頻性能、特殊顯示屏與鍵盤背光效果、MP3音頻播放功能、FM無線電以及精確的電池電量計量等。

分立電源器件的選擇

如圖1所示，為不同子元件供電的典型非集成電源器件，可能是作為手機(jī)電池組一部分的電池電量計、效率高但體積小的高頻DC/DC內(nèi)核電源、驅(qū)動相機(jī)閃光燈白光LED的高性能DC/DC升壓驅(qū)動器、帶OLED電源的白光LED背光驅(qū)動器、次顯示屏以及具有超低電源抑制比(PSRR)的線性穩(wěn)壓器等。在進(jìn)行大部分集成時，首先要集成消費(fèi)者喜歡的一些已有特性，而具有更高性能和效率的領(lǐng)先模擬半導(dǎo)體技術(shù)，包括經(jīng)過優(yōu)化的分立電源管理器件等，將隨付運(yùn)量的增加及功能的標(biāo)準(zhǔn)化而逐漸被越來越多地集成。

圖3：驅(qū)動高亮度相機(jī)閃光燈LED的高效率升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。

為進(jìn)一步優(yōu)化電源管理并盡量延長電池工作時間，必須考慮以下三個重要方面的問題。首先，電池管理必須能處理電池充電及電量測量。其次，電源轉(zhuǎn)換必須盡可能高效地將電池功率轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)元件可用的功率。第三，用于分析處理器的實際電源消耗并控制多個電源的系統(tǒng)電源管理，必須對電池的使用進(jìn)行優(yōu)化。前兩個問題可通過選擇合適的電源管理器件來專門解決，而第三個問題則與主要處理軟件的開發(fā)有關(guān)。

在電池管理中，電池“電量計”正變得日益流行。傳統(tǒng)上，電池電量通常用以下方法來測量：先測量鋰離子電池的電壓，然后利用存儲在存儲器中的電量查找表，查出可用的電池電量。該方法基于特定鋰離子電池的電壓-電量查找表，但由于3G手機(jī)的電源消耗特性很復(fù)雜，并且鋰離子電池的性能隨時間、溫度及負(fù)載條件而變化，所以這種方法并不可行。為精確測量剩余的電池電量以便讓處理器更好地管理手機(jī)的電源消耗，人們采用具有“阻抗跟蹤”能力、可測量進(jìn)出電池的實際電荷的高性能庫侖計，這將使處理器可有效地運(yùn)行在電池節(jié)省模式、精確地計算出電池耗盡的時間，并在需要充電的時候向終端用戶發(fā)出警告等。圖2顯示的庫倫計被集成在電池組中，并通過I2C通信接口向主處理器發(fā)送電池參數(shù)。

在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，DC/DC轉(zhuǎn)換器在為LED驅(qū)動與處理器內(nèi)核電源提供高效率的供電解決方案上扮演著越來越重要的角色。為提高數(shù)碼照像與視頻會議的性能，CMOS與CCD傳感器的分辨率在不斷提高。隨著傳感器的分辨率不斷提高，要拍出高質(zhì)量照片就需要更亮的光，這又將需要相機(jī)閃光燈更亮的解決方案。當(dāng)照相手機(jī)的分辨率大于100萬像素時，至少需要50勒克斯的亮度才能拍出高質(zhì)量照片。而目前許多手機(jī)所能提供的閃光燈亮度都比這低，其閃光燈白光LED的驅(qū)動電流還不到100mA，這種設(shè)計實際上并不能改善照片質(zhì)量。為真正地改善照片質(zhì)量，需要用將近1A的電流驅(qū)動高功率白光LED，而使用電荷泵是難以提供1A的電流，因為此時的電池電流將達(dá)到2A，將超出系統(tǒng)為此類功能預(yù)留的任何電池功率預(yù)算。為解決電池電流過大的問題，圖3給出的高效率DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，可為相機(jī)閃光燈應(yīng)用的白光LED提供高達(dá)700mA的電流。

圖4：小型封裝的高頻3MHzDC/DC轉(zhuǎn)換器。

手機(jī)中的幾個子系統(tǒng)可能還需要精確的內(nèi)核電壓。線性穩(wěn)壓器通常被認(rèn)為是一種用于電壓調(diào)整的小尺寸、低成本解決方案，但當(dāng)電流大于200mA時，由于電源損耗過高，它們將開始需要既占空間又價格昂貴的散熱片。電源損耗的產(chǎn)生是由于供電時存在較大的輸入-輸出電壓差，此電壓差與輸出電流的乘積便等于電源損耗，例如，從3.6V鋰離子電池上得到1.2V/500mA內(nèi)核電壓。當(dāng)線性穩(wěn)壓器以33%的效率進(jìn)行穩(wěn)壓，并消耗大量電池功率、產(chǎn)生大量熱量的時候，DC/DC轉(zhuǎn)換器卻能以高于90%的效率很好地工作，而且只消耗LDO功耗的一小部分。

采用最先進(jìn)的模擬工藝與設(shè)計技術(shù)的最新一代DC/DC轉(zhuǎn)換器具有幾個可節(jié)省空間的特性。圖4是一種可提供高達(dá)500mA內(nèi)核電流的超小型、高精度DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器。因為集成了兩個開關(guān)晶體管，所以該電路僅需一個電感和兩個小電容。獨特的控制架構(gòu)可使電源對負(fù)載瞬變做出快速反應(yīng)，并保持±1(的高電壓調(diào)整精度(這正是如今高性能處理內(nèi)核所要求的)。3MHz的開關(guān)頻率可使電感大小減少至僅為1uH，從而允許使用高度小于1mm的薄型芯片電感。這種器件還提供芯片級封裝，IC尺寸可減小至2×1mm，因此整個解決方案可被構(gòu)建成安裝在5×5mm2大小的空間里。為進(jìn)一步減少電源消耗，高級DC/DC穩(wěn)壓器還具有自動的脈沖頻率調(diào)制(PFM)/脈寬調(diào)制(PWM)模式轉(zhuǎn)換功能，以盡量提高寬負(fù)載范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換效率。在輕負(fù)載情況下，轉(zhuǎn)換器工作于PFM模式，而當(dāng)負(fù)載電流大于50mA時，則采用PWM控制，這樣便可以80%至90%的效率提供1.8V/500mA的內(nèi)核電源。

本文小結(jié)

電源與其它模擬器件的集成是不可避免的，其關(guān)鍵在于選擇那些已發(fā)展成為標(biāo)準(zhǔn)并被多種手機(jī)平臺采用的功能。推動功能差異化的領(lǐng)先技術(shù)一般首先應(yīng)用在可進(jìn)行特性定制的分立元件中，這對消費(fèi)者及手機(jī)系列型號管理非常重要?？傊?，電源管理器件正繼續(xù)在尺寸、效率及電源消耗方面挑戰(zhàn)自身極限，并在減小手機(jī)的外形尺寸與重量方面扮演重要角色。