高級無(wú)線(xiàn)手持終端的電源管理構架

　在市場(chǎng)份額的爭奪戰中，手機供應商始終面臨著(zhù)巨大壓力，因為他們需要不斷創(chuàng )新并繼續為 3G 移動(dòng)手持終端提供比以前任何時(shí)候都要豐富的功能。而另一方面，在享受其個(gè)人通信設備具有的更強功能的同時(shí)，消費者還要求這些功能能夠適用于越來(lái)越小的產(chǎn)品尺寸中，且電池持續工作的時(shí)間要更長(cháng)。這種需求迫使 IC 廠(chǎng)商在更低電壓的節點(diǎn)上將盡量多的功能集成在更少的 IC 上，以解決空間和功耗的問(wèn)題。然而，系統集成實(shí)際上會(huì )增加設計的復雜性，并會(huì )降低設計的靈活性。高度集成的 IC 功能可能造成電路板布線(xiàn)的問(wèn)題，并產(chǎn)生外部組件布置過(guò)密的問(wèn)題。使用“一體化” IC，就會(huì )使廠(chǎng)商手機平臺上的特色化空間所剩無(wú)幾。為了開(kāi)發(fā)具有競爭力的產(chǎn)品，移動(dòng)手持終端設計人員需要集成式構件塊，而且還需要能有效優(yōu)化電池電源使用、延長(cháng)電池壽命以及實(shí)現設計差異化的靈活性。這就要求結合使用高度集成的電源管理單元以及高性能的分立組件，以最高效的方法解決電池管理、電源轉換以及系統管理等問(wèn)題。

　　集成與板面布局問(wèn)題

　　多功能 3G 手機需支持多頻段調制解調器連接，如 GSM 和 CDMA 等。但是，在 WiFi“熱點(diǎn)”、藍牙附件和USB連接盛行的時(shí)代，消費者希望能夠以各種可能的方式將其手機及小型設備連接到網(wǎng)絡(luò )，而“不間斷”導航的需求則需要 GPS 定位功能。如今，手機的數字拍照功能向數碼相機的質(zhì)量提出了挑戰，而當今市面上的手機產(chǎn)品基本都具備這種功能。這就需要先進(jìn)的攝像引擎和高亮度閃光燈來(lái)實(shí)現高質(zhì)量攝影。另外，當今 3G 網(wǎng)絡(luò )的帶寬已經(jīng)使可視電話(huà)成為可能。此外，高速應用與圖形處理器具有進(jìn)行 MPEG 音頻及視頻解碼的處理能力。實(shí)際上，手機變成了一個(gè)音視頻播放器以及游戲機的集合體。隨著(zhù)新型無(wú)線(xiàn)媒體格式的出現，手機上也擁有調頻無(wú)線(xiàn)電廣播及數字電視調諧器功能，從而大幅增加了其娛樂(lè )的價(jià)值。隨著(zhù)數據吞吐能力的提高，也對高密度存儲能力提出了要求，這可以通過(guò)內存擴展槽或微型硬盤(pán)驅動(dòng)器實(shí)現。為了說(shuō)明這種復雜性，圖 1 闡述了 3G 手持終端的可能系統構架。

　　我們可以想象，在一個(gè)小型手持設備上實(shí)現所有上述功能需要集成適合的高性能模擬與數字組件。但是，在集成時(shí)需要考慮的是，手機的外形尺寸會(huì )對電子組件的布局產(chǎn)生影響。而且，并非每款手機都提供同樣的功能集，因此我們需要回答的問(wèn)題是：需要集成哪些組件才能實(shí)現在成本、設計復雜性及靈活性等方面的“優(yōu)化”集成。

　　一種方法是，將用于調制解調器及應用處理器、音頻子系統與接口組件的標準電源塊集成在一起，以使所有采用相同基礎芯片組的不同手機平臺和手機供應商能夠共享。但是，存在兩個(gè)主要的固有挑戰。首先，出于市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)的考慮，手機可根據所需功能及人機工程學(xué)要求采用多種不同的設計，如可以設計成糖果條、翻蓋或滑蓋的外形——分別采用不同的顯示、鍵區及揚聲器配置。這些設計的差異會(huì )對顯示屏背光、攝像頭模塊以及其他系統的位置產(chǎn)生重要影響。因此，這很顯然限制了組件的集成度。在某些情況下，電源或音頻功能的“一體化”集成將意味著(zhù)很長(cháng)的印刷電路板布線(xiàn)，隨之引發(fā)的噪音增加將加大電路板布局或電子設計的難度。第二，手機制造商希望通過(guò)低成本的產(chǎn)品組合管理向市場(chǎng)高效提供各種型號的手機。由于顧客的偏好及購買(mǎi)力存在差異，制造商必須提供不同功能等級和性能的產(chǎn)品，零售定價(jià)各不相同。因此，功能不同的型號價(jià)格也將各異，這樣才能實(shí)現利潤最大化。這就限制了將所有功能集成在同一個(gè)大型 IC 上。如果某些款式不需要某個(gè)特定的功能，該功能及其電源將不包括在設計中，因此也降低了成本。而且，采用相同基礎無(wú)線(xiàn)調制解調器與應用處理器芯片組的不同手機供應商，仍然需要在手機產(chǎn)品組合上實(shí)現不同于競爭對手的特色功能。這也推動(dòng)了各種主要差異化功能的后期集成 (de-integration)，比如亮度更強的閃光燈、高保真立體聲音頻性能，專(zhuān)用顯示屏、鍵區背光效果以及超高速充電功能等。

　　物理限制因素：電源及封裝

　　電源的首要考慮因素是電能的來(lái)源：電池?；旧?，百分之百的 3G 手機都使用鋰離子 (Li-Ion)電池，這種電池在當今所有商業(yè)銷(xiāo)售的可充電化學(xué)電池中能量密度最高。大多數電池尺寸約為 60mm×40mm×6mm，電量 900 mAh ~1500 mAh。有些功能極多的手機可能要求電量達 3000 mAh 的大容量電池。雖然燃料電池技術(shù)可以提供的能量密度比鋰離子電池高的多，但由于技術(shù)及管制上的原因，其普及將在數年之后。這就是說(shuō)，設計工程師們將面臨一個(gè)關(guān)鍵的設計參數：限制在 2000 mAh 左右的電量范圍。此外，電子設計還面臨另一個(gè)關(guān)鍵因素：封裝。電池與顯示屏的大小、用戶(hù)界面的復雜度與 設計的人機功能學(xué)等事項均決定了手機的可用空間和外形，從而決定了可用于印刷電路板的空間。

　　這就是說(shuō)，工程師在設計先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)設備時(shí)面臨一個(gè)基本難題：電池的可用能量受到其物理尺寸與化學(xué)性質(zhì)的限制，而可用能量決定了電池的能量密度，因此也決定了能為應用提供的電源預算。而在不久的將來(lái)不大可能大幅度提高可用能量。而且，大量功能需要配置在既定的封裝中，并且封裝還在持續縮小。由于這些參數的變化，設計師必須更高效地使用電池，以滿(mǎn)足消費者對待機及運行時(shí)間的要求。這些設計限制將最終推動(dòng)數字與模擬半導體技術(shù)轉向更低功耗，同時(shí)還將推動(dòng)高效電池使用技術(shù)的發(fā)展。

　　分立電源組件選擇

　　為了最大限度地優(yōu)化電源管理和最大限度地延長(cháng)電池使用壽命，需要考慮三個(gè)方面的設計問(wèn)題：首先，電池管理必須解決充電及電量監測的問(wèn)題；第二，電源轉換應盡可能地提高電池轉換效率，為系統組件供電；第三，用來(lái)分析處理器域中實(shí)際功耗并控制電源的系統電源管理必須優(yōu)化使用電池能量。第一和第二個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)選擇電源管理組件加以具體解決，而第三個(gè)問(wèn)題則涉及處理軟件的大量開(kāi)發(fā)工作。

　　圖 1 中展示了一系列非集成式電源組件，它們用來(lái)為手機中的特色組件提供電源。這些組件有的包含電池充電器、用于有機 LED 及 TFT 顯示屏的發(fā)光管理器件，或高效而小型的高頻 DC/DC 轉換器。在集成方面，在大多數情況下，隨著(zhù)銷(xiāo)量的增加以及功能的標準化，首先集成的應是那些受消費者歡迎的成熟功能。性能更強、效率更高的前沿模擬半導體技術(shù)一般用于先進(jìn)的高端設備，這些設備處于銷(xiāo)量曲線(xiàn)的初始點(diǎn)，并具備豐富的功能。下面闡述的是，在設計分立電源管理組件時(shí)需考慮的一些因素。