未來(lái)手電電源管理面臨的挑戰以及解決方案

未來(lái)的手機會(huì )集成更多需要耗電的功能或特性，如何延長(cháng)電池使用壽命成為一項重大課題。結合中國手機產(chǎn)品的研發(fā)趨勢，本文將從射頻、基帶、背光、音頻放大、充電器等方面探討下一代手機電源管理面臨的挑戰與相應的新技術(shù)和解決方案，并提供了一些降低電路功耗及噪聲的設計思路。

近兩年中國手機市場(chǎng)的兩大特點(diǎn)是：由于終端用戶(hù)市場(chǎng)還看不到對3G應用的迫切需求，3G商業(yè)化部署和運行前景仍不明朗；手機更新?lián)Q代首次成為這一市場(chǎng)的主要增長(cháng)動(dòng)力，新的用戶(hù)增長(cháng)已經(jīng)減緩，電信服務(wù)運營(yíng)商需要為現有用戶(hù)提供更多的新服務(wù)來(lái)增加營(yíng)收和擴大市場(chǎng)份額，如短信、電子郵件、彩屏顯示、網(wǎng)上沖浪、多和弦鈴聲、音樂(lè )、游戲、影像、新聞和體育快訊等。這么多功能的集成對手機的電源設計和管理提出了極大的挑戰，這主要是因為多功能帶來(lái)的高功耗大幅降低了鋰電池的工作壽命，如使用手機進(jìn)行網(wǎng)上沖浪時(shí)很可能一二個(gè)小時(shí)手機就沒(méi)電了，而電池工作時(shí)間又是最終用戶(hù)最關(guān)注的指標之一。

在目前新的高能電池技術(shù)(如燃料電池)仍不成熟的情況下，下一代手機的電源管理便只能從提高電源利用率和降低功耗這二個(gè)方面著(zhù)手。原則上講，我們可以通過(guò)盡可能多地利用功率轉換效率較高的AC/DC或DC/DC開(kāi)關(guān)電源轉換器盡可能地降低電源電壓和采用動(dòng)態(tài)電壓調整等技術(shù)或方法來(lái)盡可能地延長(cháng)手機電池的工作壽命。下面我們將從射頻、基帶、背光、音頻放大、充電器等五個(gè)方面來(lái)討論下一代手機電源管理面臨的挑戰與設計趨勢。

位于射頻部分的發(fā)送功率放大器是手機中最耗電的元件，最大峰值電流差不多要達到1A，在典型的應用情景下，它幾乎要消耗一半的手機電池能量。因此，對設計工程師來(lái)說(shuō)，這部分要特別加以關(guān)注。目前手機功放元件市場(chǎng)仍以砷化鎵HBT占主導地位，但未來(lái)采用增強型準晶高電子遷移率晶體管(E-pHEMT)技術(shù)的功率放大器將可能成為手機功放的新選擇。該類(lèi)器件的工作電壓可低至2V，而且由于采用了一種自動(dòng)調節技術(shù)來(lái)解決溫度漂移問(wèn)題，避免了在HBT技術(shù)中采用的限流電阻，因此該類(lèi)芯片能有效地降低射頻部分的功耗。典型情況下，采用E-pHEMT技術(shù)的功放可以將電池使用壽命提高近15%。該類(lèi)器件未來(lái)有望在CDMA/GSM手機中得到大規模的應用。

射頻收發(fā)器也是射頻部分的一個(gè)大功耗元件，在發(fā)送或接收狀態(tài)下，其消耗的電流約在50到100 mA之間。除了耗電以外，收發(fā)器還為設計工程師帶來(lái)了另外一大挑戰，那就是從手機中其它元器件的電源處接收到的噪聲可以極大地影響收發(fā)器的整體性能。因此，設計工程師應當將收發(fā)器的電源很好地隔離開(kāi)來(lái)以解決潛在的噪聲問(wèn)題。

手機基帶器件是除功放外功耗最大的地方。通常這部分的功耗可以通過(guò)降低工作電壓和運行頻率來(lái)進(jìn)一步降低，如動(dòng)態(tài)電壓頻率變換技術(shù)可以根據工作狀態(tài)調整處理器的工作時(shí)鐘和工作電壓。此外，選擇合適的降壓轉換器也對降低系統整體功耗有很大幫助，一般來(lái)說(shuō)，LDO DC/DC轉換器靜態(tài)電流低，較適合用于輸入輸出電壓相差不大的應用場(chǎng)合，開(kāi)關(guān)模式DC/DC轉換器功率轉換效率高，較適合于輸入輸出電壓相差較大的應用場(chǎng)合。由于未來(lái)手機各種功能模塊需要的工作電壓不盡相同，因此未來(lái)的電源管理芯片肯定是朝著(zhù)多輸出電壓、高輸出電流和高集成度的方向發(fā)展，如最近安森美就針對手機市場(chǎng)推出了兩款高集成度的電源管理專(zhuān)用ASIC NCP4110，NCP4110可同時(shí)提供七個(gè)LDO和一個(gè)同步降壓型轉換器。

隨著(zhù)手機增加更多的音頻功能，如MP3播放、多和弦鈴聲和FM廣播等功能，音頻電路所產(chǎn)生的功耗增加，優(yōu)化音頻電路的低功耗設計也成為延長(cháng)電池使用時(shí)間的一個(gè)重要方面。手機應用要求音頻器件具有較好的噪聲抑制(PSRR)、高功效、低工作電壓和最少的外圍無(wú)源器件，一般的應用中采用LDO來(lái)提供音頻放大器電源以實(shí)現最低的PSRR，這將產(chǎn)生LDO通道的功率損耗。根據對功放器件接通和關(guān)斷時(shí)所產(chǎn)生的頻譜進(jìn)行分析，如果音頻放大器的PSRR可以提高到超過(guò)60dB，則可以去除LDO，從而可有效降低音頻電路功耗。

彩屏顯示正成為下一代手機的標準配置，而彩屏要求提供白色LED背光。通常情況下，一個(gè)LCD彩屏的均勻背光需要3到4個(gè)或更多的二極管，智能手機可能需要6個(gè)或更多。由于游戲功能和無(wú)線(xiàn)接入功能需要長(cháng)時(shí)間的背光照明，因此背光功耗也是手機功耗的一個(gè)重要組成部分。從技術(shù)上講，要實(shí)現均勻的白色LED背光通常要帶來(lái)兩大設計挑戰：一是二極管正向電壓要達到3-4V(與鋰電池要同)，因此需要一個(gè)升壓轉換器；二是必須控制二極管電流，以保持均勻的亮度及顏色純度。目前兩種常用的升壓方案是電荷泵和電感升壓轉換器，前者的優(yōu)點(diǎn)是需要的外部零件少而且不需要包含穩壓電路，缺點(diǎn)是輸出電流有限制，后者的優(yōu)點(diǎn)是可產(chǎn)生較高輸出電流和穩壓輸出，缺點(diǎn)是需要較多外部零件、需要更大PCB板面積和產(chǎn)生較大EMI。此外，為保持均勻亮度和顏色純度，必須控制二極管電流差小于10%，目前主要采用電流控制穩壓架構。

在外置式手機充電器/適配器部分，開(kāi)關(guān)型變壓器正在迅速取代傳統的笨重的線(xiàn)性變壓器，因為高頻開(kāi)關(guān)變壓器與線(xiàn)性變壓器相比不僅重量非常輕，而且體積也要小很多。安森美半導體公司亞太區模擬集成電路產(chǎn)品經(jīng)理陳柏勛指出：“為充電器/適配器應用開(kāi)發(fā)的任何開(kāi)關(guān)電源都需要一個(gè)起隔離作用的開(kāi)關(guān)變壓器?！背潆娖鲬玫囊粋€(gè)關(guān)鍵要求是安全性，而變壓器可將很高的AC電壓與很低的便攜式設備的充電電壓隔離開(kāi)來(lái)，它的主要作用是防止雷擊。