淺談智能手機電源管理解決方案趨勢與展望

　　作為手機基礎芯片的電源管理單元就像一部發(fā)動(dòng)機，驅使智能手機在3G的高速公路上飛馳。雖然現有的電源拓撲方案能滿(mǎn)足當前應用需求，但已慢慢接近技術(shù)與器件的瓶頸，亟需突破。

　　如今的智能手機能夠滿(mǎn)足用戶(hù)越來(lái)越高的要求，比如更大的顯示屏、更多的傳感器、更快速度的無(wú)線(xiàn)連接方式、更強大的數據處理能力以及更時(shí)尚的云端服務(wù)等等，而高清和3D視頻播放、Flash界面、WiFi無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)更是成為智能手機的必備功能，所以要求移動(dòng)處理器能夠提供更強的處理能力、更快的處理速度?，F在處理器能夠運行主頻達到1.5GHz甚至2GHz以上，這樣勢必對電源管理能力提出了更大的挑戰。第一，需要更高的效率，延長(cháng)手持終端接入網(wǎng)絡(luò )服務(wù)的時(shí)間；第二，需要的功率密度更大，以滿(mǎn)足終端更大的功率需求；第三，擁有雙核、四核甚至更多核的處理器和更大的內存容量以實(shí)現多任務(wù)的強大應用功能，所以需要不同電壓等級和上電時(shí)序，使得整個(gè)系統復雜化；第四，需要高度集成的電源解決方案，減少片外無(wú)源器件，使移動(dòng)便攜產(chǎn)品更加輕巧和緊湊；第五，需要更低的靜態(tài)功耗，以實(shí)現更長(cháng)的待機時(shí)間；第六，需要更低的核電壓，降低核心芯片的片內功耗。針對電源管理新的發(fā)展方向和需求，下面將探討幾種新的適用于手機電源方案的buck、boost變換器拓撲，并對關(guān)鍵技術(shù)指標的發(fā)展趨勢進(jìn)行展望。

　　高頻化的渴望與無(wú)奈

　　DC-DC變換器的高頻化是電源技術(shù)發(fā)展的創(chuàng )新技術(shù)，高頻化帶來(lái)的好處就是使變換器空前地小型化甚至微型化，使得DC-DC變換器能夠進(jìn)入移動(dòng)便攜產(chǎn)品應用領(lǐng)域，推動(dòng)移動(dòng)產(chǎn)品的小型化與輕便化。變換器的微型化實(shí)質(zhì)上就是盡可能減小其中儲能元件體積，包括儲能電感和濾波電容。此外，高頻化還能夠抑制干擾，改善系統的動(dòng)態(tài)性能，滿(mǎn)足由于核心芯片快速的數據處理以及高速網(wǎng)絡(luò )的接入帶來(lái)的對電源高品質(zhì)、高性能的要求。因此，高頻化是智能移動(dòng)設備電源解決方案的主要發(fā)展方向之一。

　　但是，高頻化帶來(lái)產(chǎn)品和技術(shù)進(jìn)步的同時(shí)，由于損耗產(chǎn)生的熱管理難題一直是如影隨行。變換器損耗主要來(lái)源于開(kāi)關(guān)損耗和導通損耗，均直接和片內開(kāi)關(guān)管有關(guān)。導通損耗與開(kāi)關(guān)管的材料以及工藝有關(guān)，而開(kāi)關(guān)損耗則由開(kāi)關(guān)頻率以及驅動(dòng)電壓等決定。由于智能手機核心芯片的主頻不斷升級換代，與之配合的電源芯片勢必跟上這個(gè)趨勢。但顯而易見(jiàn)的是開(kāi)關(guān)頻率上升到一定的程度就會(huì )帶來(lái)效率的惡化。因此，雖然高頻化的愿望是美好的，但與之相比效率的惡化則是嚴峻的現實(shí)。如何讓現實(shí)和美好的愿望完美統一？從下面的討論中我們可以得到一點(diǎn)啟示。

　　對高效率的不懈追求

　　DC-DC變換器的拓撲結構多種多樣，但其功率損耗源基本包括在導通損耗、驅動(dòng)損耗、分布電感開(kāi)關(guān)損耗、與功率管開(kāi)關(guān)時(shí)序有關(guān)的損耗、控制電路損耗以及線(xiàn)路損耗等方面，由于這些耗散源頭的存在導致轉換效率永遠小于100%。盡管如此，人們總盼望能把效率提高，無(wú)限接近100%。為此，無(wú)論是從學(xué)術(shù)界還是產(chǎn)業(yè)界，都試圖從控制技術(shù)、新的拓撲、新的工藝以及制程等方面獲得突破，不僅提高峰值效率，還努力提高全范圍的效率。對于智能移動(dòng)應用領(lǐng)域而言，由于負載電流基本集中在1A以?xún)?，個(gè)別的負載模塊所需要的電流目前保留在5A以?xún)?，所以提高這兩種應用環(huán)境下的直流變換器的效率突破點(diǎn)不完全一樣。如果輸出功率不大，影響變換器效率主要在于靜態(tài)損耗，包括控制、驅動(dòng)、開(kāi)關(guān)管通斷切換損耗以及交流回路損耗等等；如果輸出功率較大，則影響變換器效率主要在于開(kāi)關(guān)管導通以及線(xiàn)路損耗。

　　諸如PFM技術(shù)、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)以及多相交錯并聯(lián)等都可以提高變換器的效率。軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的最大優(yōu)點(diǎn)在于減少開(kāi)關(guān)損耗、提高效率，并可大大減少電磁干擾，其基本思路是利用電感或電容等儲能元件，在開(kāi)關(guān)管開(kāi)通和關(guān)斷時(shí)將電壓/電流轉移或諧振到零，從而實(shí)現零電壓或零電流開(kāi)關(guān)，實(shí)現高效率的高頻化。多相交錯并聯(lián)拓撲能在保持相同輸出電壓品質(zhì)的前提下，降低變換器工作頻率，從而從結構上優(yōu)化效率；反之如果系統維持相同的工作頻率，則大大優(yōu)化變換器的輸出紋波與動(dòng)態(tài)性能。這里重點(diǎn)介紹多相交錯并聯(lián)拓撲的優(yōu)勢與特點(diǎn)。

　　低電壓、大電流成必然趨勢

　　3G智能終端的數據處理速度和響應性能日益提高，需要提供給處理芯片更大功率以滿(mǎn)足其在功耗方面的要求。降低損耗一直是設計者追求的目標之一，傳統的總線(xiàn)電壓為3.3V，可通過(guò)優(yōu)化電壓等級的方式來(lái)克服由于主頻的增加帶來(lái)的損耗方面的影響。按照摩爾定律，每18個(gè)月芯片的集成度會(huì )增加2倍，因此很難斷定電壓會(huì )降低到何種程度為止。如果這種趨勢無(wú)限制地持續下去，可以預想對電源的要求會(huì )越來(lái)越高。我們可以參考ITRS在2001年對CPU供電電壓和電流的預測，其預測在2012年前后核心處理芯片的供電電壓將低至0.75V以下，基本上來(lái)看該預測結果是符合實(shí)際情況的。

　　多相交錯并聯(lián)結構

　　多相交錯并聯(lián)結構技術(shù)適用于高頻、低壓大電流場(chǎng)合，能滿(mǎn)足DC-DC變換器日益提高的可靠性、效率和功率密度的要求，已成為小功率直流變換器研究領(lǐng)域的重要內容之一。尤其在智能移動(dòng)產(chǎn)品中，需要電源芯片有更高的效率、更快的動(dòng)態(tài)性能以及更小的干擾。多相交錯并聯(lián)電路的等效開(kāi)關(guān)頻率增加到原來(lái)頻率的n倍（n為并聯(lián)相數），因此受到開(kāi)關(guān)頻率限制的臨界帶寬限制也可以相應地提升。例如，在保持輸出單相開(kāi)關(guān)頻率與總電容值基本不變情況下，通過(guò)并聯(lián)多個(gè)高頻磁片電容減小ESR，臨界帶寬會(huì )變寬而臨界電感變小。此時(shí)通過(guò)增加帶寬到此ESR對應的臨界帶寬和減小每相輸出電感量到臨界電感量的手段，瞬態(tài)輸出紋波的最小值可以減小，動(dòng)態(tài)特性可以提升?？偟膩?lái)說(shuō)，多相交錯并聯(lián)技術(shù)可以在不增加直流變換器開(kāi)關(guān)頻率的基礎上，不但減小了輸出紋波和輸出電容，而且可以一定程度上改善輸出動(dòng)態(tài)響應。反之，如果維持與單相buck變換器相同的輸出紋波和輸出電容，則可將多相交錯并聯(lián)變換器的開(kāi)關(guān)頻率降為1/n（n為并聯(lián)的相數），這樣就能顯著(zhù)降低開(kāi)關(guān)損耗，提高效率。

　　與傳統的單相buck變換器相比多相交錯并聯(lián)結構增加了一個(gè)或多個(gè)變換通道，每個(gè)變換器通道的控制信號相位間隔360o/n。這樣做的好處是：a） 功率平均分配在各個(gè)通道中，散熱性能良好，芯片設計簡(jiǎn)單；b） 輸出電流可以達到更大，工作電壓可低至1V以下；c） 等效工作頻率是原來(lái)的n倍，加快了負載的瞬態(tài)響應速度，降低了輸出紋波；d） 反之，維持同樣的響應速度和輸出紋波可以降低開(kāi)關(guān)頻率，提高效率，改善熱性能；e） 可以使用更小的輸出電感和電容等輸出元件，PCB布局得到改善?？傊?，多相交錯并聯(lián)buck變換器即將出現在智能手機的應用中，滿(mǎn)足應用處理器、圖形處理器等低電壓、大電流核心芯片不斷發(fā)展的需求。

　　單電感多路變換器

　　單電感多路輸出DC-DC變換器（SIMO）是利用單個(gè)電感實(shí)現多路輸出的直流變換器，因其高效靈活又節約成本得到了學(xué)術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛研究與關(guān)注，并出現在手機電源方案中。單電感多路變換器可以實(shí)現多路buck變換器、多路boost變換器甚至多路buck、boost、負壓混合變換器。結構和控制雖然比較復雜，但在手機電源的應用領(lǐng)域由于其突出特點(diǎn)和優(yōu)勢，將會(huì )改善電源管理單元（PMU）片外元件的電感數量以及PCB走線(xiàn)布局。作為單電感多路輸出變換器的基本拓撲分析，這里給出單電感雙路輸出變換器（SIDO）的拓撲及控制結構，如圖2所示。

　　從圖中可以看到，變換器有兩個(gè)輸出，但共用一顆電感，比傳統的雙路buck變換器少一顆電感。如果這種拓撲在PMU中實(shí)現，那么節省下來(lái)的電感則更多，這種拓撲的優(yōu)勢越發(fā)明顯。但由于在每路輸出端均串入一開(kāi)關(guān)管，所以勢必會(huì )大大提高輸出紋波。有研究者提出，如果在兩路輸出端之間并入一顆飛跨電容Cf，則能大大降低輸出的紋波值。有數據說(shuō)明，在電感電流連續（CCM）狀態(tài)以及一定的輸入/輸出電壓下，輸出電壓紋波能夠優(yōu)化到30mV左右。

　　除了優(yōu)化PMU片外元件以及PCB布局走線(xiàn)外，單電感多路變換器還可以實(shí)現升壓/負壓輸出，以滿(mǎn)足AMOLED的應用。

　　結論

　　綜上所述，智能移動(dòng)產(chǎn)品的功能與性能將不斷強化和提升，電源方案也必須要滿(mǎn)足系統在尺寸、空間、效率、輸出電壓品質(zhì)以及動(dòng)態(tài)特性等各個(gè)方面的要求。為了適應新的應用要求與技術(shù)發(fā)展方向，未來(lái)多相交錯并聯(lián)技術(shù)和單電感多路輸出變換器技術(shù)將在智能移動(dòng)產(chǎn)品電源解決方案中得到廣泛應用。