3G手機中的電源管理分割探討

第三代(3G)手機可提供具有更多功能的各種特性。當消費者享用這些通信設備最新及更好功能的時(shí)候，他們還繼續要求單個(gè)電池的工作時(shí)間更長(cháng)、手機的外形尺寸更小。盡管IC集成可幫助解決尺寸問(wèn)題，但同時(shí)也會(huì )增加設計復雜度并限制設計靈活性。當今的手機設計工程師必須考慮多種因素來(lái)有效地優(yōu)化電池使用，以延長(cháng)電池工作時(shí)間。因此，必須結合使用高度集成化的電源管理單元和高性能分立器件來(lái)進(jìn)行電池管理、功率轉換以及系統管理。

圖1：3G手機的系統組成框圖。

兩難選擇：功能與電池功率

當設計一款高級無(wú)線(xiàn)設備時(shí)，設計工程師將面臨一個(gè)兩難選擇。一方面，他們需要將許多功能集成到一個(gè)通常由電池和顯示屏的尺寸、復雜的用戶(hù)接口和設計工程學(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常常迫使設計工程師要更高效地使用電池功率，以滿(mǎn)足消費者對待機時(shí)間和工作時(shí)間的要求。

如今的3G多功能手機能支持多個(gè)空中接口，不僅提供GSM、WCDMA等多波段調制解調器連接，還可通過(guò)藍牙、無(wú)線(xiàn)LAN、紅外以及USB接口進(jìn)行其它連接。數碼相機功能已成為許多手機的標準配置，它需要復雜的相機引擎和高發(fā)光度的閃光燈來(lái)拍攝高質(zhì)量照片。隨著(zhù)數據傳輸速度的增加，手機的視頻電話(huà)功能也有可能實(shí)現。此外，高速應用處理器還提供強大的音/視頻處理能力，以支持數字電視(DTV)信號和MPEG音頻編解碼。更新型的手機還將增加FM無(wú)線(xiàn)電和數字電視調諧器以增加手機的娛樂(lè )價(jià)值。數據吞吐量的提高最終將需要高密度的存儲容量，這可通過(guò)存儲器擴展槽，甚至微型硬盤(pán)驅動(dòng)器來(lái)實(shí)現。不難想象，這些無(wú)線(xiàn)設備大部分還將兼有便攜式游戲設備的功能。

作為能量來(lái)源的電池在系統中占有重要地位。如今，幾乎百分之百的3G手機都采用鋰離子電池，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(wèn)題，預計還需數年時(shí)間燃料電池才能得到廣泛應用。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，系統工程師基本上還會(huì )繼續使用可提供大約1,500-1,800mAh容量的鋰離子電池。

這種兩難選擇最終將驅動(dòng)數字與模擬半導體技術(shù)轉向下一個(gè)更低的功率節點(diǎn)，并推動(dòng)超高效電池使用技術(shù)的發(fā)展。

集成與布局的問(wèn)題

很顯然，隨著(zhù)所有功能都被集成到一個(gè)尺寸相對較小的設備中，對一組合適的高性能模擬與數字器件進(jìn)行集成變得非常必要。為強調這種集成的復雜性，圖1給出了3G手機的主要系統架構。

圖2：用于精確測量電池電量的電池電量計。

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

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

其次，手機制造商需要對手機型號系列進(jìn)行富有成本效益的管理。為了用不同的手機型號滿(mǎn)足市場(chǎng)需求，手機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(jià)格也都不一樣。要想在競爭激烈的市場(chǎng)中獲得最高利潤，這些手機的成本必須隨功能而改變，而這將無(wú)法把每種功能都集成到一個(gè)大IC上。如果某個(gè)特性不是給定的手機型號所想要的，那么應從電路板上卸下這個(gè)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)：更亮的相機閃光燈、更強大的噴燈模式、D類(lèi)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、FM無(wú)線(xiàn)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內核電源、驅動(dòng)相機閃光燈白光LED的高性能DC/DC升壓驅動(dòng)器、帶OLED電源的白光LED背光驅動(dòng)器、次顯示屏以及具有超低電源抑制比(PSRR)的線(xiàn)性穩壓器等。在進(jìn)行大部分集成時(shí)，首先要集成消費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，將隨付運量的增加及功能的標準化而逐漸被越來(lái)越多地集成。

圖3：驅動(dòng)高亮度相機閃光燈LED的高效率升壓DC/DC轉換器。

為進(jìn)一步優(yōu)化電源管理并盡量延長(cháng)電池工作時(shí)間，必須考慮以下三個(gè)重要方面的問(wèn)題。首先，電池管理必須能處理電池充電及電量測量。其次，電源轉換必須盡可能高效地將電池功率轉換為系統元件可用的功率。第三，用于分析處理器的實(shí)際電源消耗并控制多個(gè)電源的系統電源管理，必須對電池的使用進(jìn)行優(yōu)化。前兩個(gè)問(wèn)題可通過(guò)選擇合適的電源管理器件來(lái)專(zhuān)門(mén)解決，而第三個(gè)問(wèn)題則與主要處理軟件的開(kāi)發(fā)有關(guān)。

在電池管理中，電池“電量計”正變得日益流行。傳統上，電池電量通常用以下方法來(lái)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手機的電源消耗特性很復雜，并且鋰離子電池的性能隨時(shí)間、溫度及負載條件而變化，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(shí)際電荷的高性能庫侖計，這將使處理器可有效地運行在電池節省模式、精確地計算出電池耗盡的時(shí)間，并在需要充電的時(shí)候向終端用戶(hù)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(guò)I2C通信接口向主處理器發(fā)送電池參數。

在電源轉換領(lǐng)域，DC/DC轉換器在為L(cháng)ED驅動(dòng)與處理器內核電源提供高效率的供電解決方案上扮演著(zhù)越來(lái)越重要的角色。為提高數碼照像與視頻會(huì )議的性能，CMOS與CCD傳感器的分辨率在不斷提高。隨著(zhù)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，這又將需要相機閃光燈更亮的解決方案。當照相手機的分辨率大于100萬(wàn)像素時(shí)，至少需要50勒克斯的亮度才能拍出高質(zhì)量照片。而目前許多手機所能提供的閃光燈亮度都比這低，其閃光燈白光LED的驅動(dòng)電流還不到100mA，這種設計實(shí)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的電流驅動(dòng)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(shí)的電池電流將達到2A，將超出系統為此類(lèi)功能預留的任何電池功率預算。為解決電池電流過(guò)大的問(wèn)題，圖3給出的高效率DC/DC升壓轉換器，可為相機閃光燈應用的白光LED提供高達700mA的電流。

圖4：小型封裝的高頻3MHzDC/DC轉換器。

手機中的幾個(gè)子系統可能還需要精確的內核電壓。線(xiàn)性穩壓器通常被認為是一種用于電壓調整的小尺寸、低成本解決方案，但當電流大于200mA時(shí)，由于電源損耗過(guò)高，它們將開(kāi)始需要既占空間又價(jià)格昂貴的散熱片。電源損耗的產(chǎn)生是由于供電時(shí)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內核電壓。當線(xiàn)性穩壓器以33%的效率進(jìn)行穩壓，并消耗大量電池功率、產(chǎn)生大量熱量的時(shí)候，DC/DC轉換器卻能以高于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)的模擬工藝與設計技術(shù)的最新一代DC/DC轉換器具有幾個(gè)可節省空間的特性。圖4是一種可提供高達500mA內核電流的超小型、高精度DC/DC降壓轉換器。因為集成了兩個(gè)開(kāi)關(guān)晶體管，所以該電路僅需一個(gè)電感和兩個(gè)小電容。獨特的控制架構可使電源對負載瞬變做出快速反應，并保持±1(的高電壓調整精度(這正是如今高性能處理內核所要求的)。3MHz的開(kāi)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(gè)解決方案可被構建成安裝在5×5mm2大小的空間里。為進(jìn)一步減少電源消耗，高級DC/DC穩壓器還具有自動(dòng)的脈沖頻率調制(PFM)/脈寬調制(PWM)模式轉換功能，以盡量提高寬負載范圍內的轉換效率。在輕負載情況下，轉換器工作于PFM模式，而當負載電流大于50mA時(shí)，則采用PWM控制，這樣便可以80%至90%的效率提供1.8V/500mA的內核電源。

本文小結

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)展成為標準并被多種手機平臺采用的功能。推動(dòng)功能差異化的領(lǐng)先技術(shù)一般首先應用在可進(jìn)行特性定制的分立元件中，這對消費者及手機系列型號管理非常重要?？傊?，電源管理器件正繼續在尺寸、效率及電源消耗方面挑戰自身極限，并在減小手機的外形尺寸與重量方面扮演重要角色。