3G手機電源管理的設計挑戰

自21世紀一開(kāi)始，第三代移動(dòng)通信技術(shù)就已經(jīng)處于主流技術(shù)的邊緣。然而在過(guò)去的時(shí)間里，該技術(shù)啟動(dòng)所必須的各項技術(shù)和運營(yíng)業(yè)務(wù)之間并未實(shí)現對接，從而導致3G手機的大規模應用的必然推遲。

2006年是3G走上主要舞臺的最后機會(huì )。在用戶(hù)頭腦中，手機的概念已經(jīng)從語(yǔ)音設備發(fā)展到了以多媒體為中心的終端設備。手機作為一個(gè)多媒體播放設備已是意料之中的，用戶(hù)期望能依賴(lài)該設備播放音樂(lè )、數字電視、游戲等相關(guān)業(yè)務(wù)。從客戶(hù)那里得到的反饋消息給無(wú)線(xiàn)運營(yíng)商們吃了一個(gè)“定心丸”，從而促使他們對基礎設施進(jìn)行大量投資來(lái)升級網(wǎng)絡(luò )，以適應從EDGE到W-CDMA的下一代無(wú)線(xiàn)通信標準。運營(yíng)商們也意識到以語(yǔ)音服務(wù)為基礎的無(wú)線(xiàn)市場(chǎng)的競爭日趨激烈，語(yǔ)音電話(huà)業(yè)務(wù)的增長(cháng)量比較低，尤其是歐洲和北美這些成熟市場(chǎng)，他們必須立即開(kāi)始提供以數據為中心的多媒體業(yè)務(wù)，否則利潤會(huì )變得更低。另一方面，大量的用戶(hù)需求以及運營(yíng)商在3G基礎設施的重大投資也促使那些主要手機制造商向3G進(jìn)行重大的戰略轉移，去爭取3G手機市場(chǎng)的領(lǐng)先地位。

手機的多媒體應用需要高速數據傳送，這就凸顯了快速移動(dòng)與數據傳送速率之間的取舍問(wèn)題。雖然2G和2.5G標準(如GPRS、EVDO)提出了用手機實(shí)現網(wǎng)上沖浪或者鈴聲下載這些概念，但下載速度太慢，令人難以忍受，從而使應用受限。

近年來(lái)隨著(zhù)W-CDMA、CDMA-EVDO Rev.A(不久將來(lái)的EVDV)的出現，手機的下載速度與以前相比會(huì )有顯著(zhù)的提高。W-CDMA的HSPA(高速鏈路分組接入)標準支持很好的移動(dòng)性和1Gb/s數據傳輸率。手機另一個(gè)共同的特性就是包含了Wi-Fi連接，支持無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)，但是應用卻限制在無(wú)線(xiàn)熱點(diǎn)范圍內。還有一些像移動(dòng)WiMAX這樣的標準以及與之等效的韓國WiBro，將無(wú)線(xiàn)熱點(diǎn)范圍擴大到主要都市的各個(gè)區域。所有這些技術(shù)都促進(jìn)了傳統的語(yǔ)音通信向基于IP的數據通信過(guò)渡。

電源管理面臨的挑戰：

只能增加新功能，不能增加結構尺寸

新的無(wú)線(xiàn)通信標準使下一代手機迅速地發(fā)展起來(lái)?，F在的趨勢是：在不增加結構尺寸的情況下，手機要盡其可能具備更多的功能和應用。

事實(shí)上，現在風(fēng)靡的產(chǎn)品如蘋(píng)果公司的iPOD及摩托羅拉的Razr已經(jīng)給便攜式電子產(chǎn)品注入了更薄、更優(yōu)美和更流暢光滑的概念。3G手機支持更快的下載速度。具有MP3播放和視頻下載功能的手機日漸普及，手機需要具備大容量存儲功能，在手機中集成小于1英寸的硬盤(pán)驅動(dòng)器和大容量閃存，能夠使存儲容量提高到4G。不過(guò)最顯著(zhù)的趨勢是將出現不久的mini SD卡和micro SD卡用作為可插拔的存儲器件。SD卡可以看成“新型軟盤(pán)”，用于在PC機和手機之間數據的互相交換，也可以用作為數據(比如照片信息)共享的一種方式。說(shuō)到照片，對大部分用戶(hù)而言，手機作為數碼相機已是最基本的配置了。在日本具有3百萬(wàn)像素相機功能的手機占據廣大的市場(chǎng)，韓國已經(jīng)開(kāi)始嘗試7百萬(wàn)像素的手機相機，這使得手機看起來(lái)更像一個(gè)相機而不是電話(huà)。除了逐步提高分辨率之外，還在手機中置入更高亮度的閃光燈，從而可以用手機相機拍下高質(zhì)量的相片?！　?BR>
實(shí)際上，下一代的手機里會(huì )設計兩個(gè)相機。高分辨率的相機用于靜止畫(huà)面拍攝，低分辨率的相機用于抓拍短的視頻畫(huà)面。2005年業(yè)界談?wù)撟疃嗟氖謾C應用無(wú)疑是數字電視功能，韓國在引進(jìn)數字電視也務(wù)方面走在市場(chǎng)的前沿，2005年已經(jīng)支持DMB標準。幾乎所有的專(zhuān)業(yè)手機制造商都意識到了該功能的潛力，正在對此加大投資。今年夏天符合全球DVB-H標準的手機已出現在歐洲手機市場(chǎng)，并顯示了世界杯的精彩畫(huà)面。還有其他功能如Wi-Fi和游戲已經(jīng)對市場(chǎng)形成了沖擊，而一些新的應用比如電子支付也處于成長(cháng)期。不過(guò)要滿(mǎn)足以上提及的3G手機的各種應用，必須使用專(zhuān)用處理器?！　?BR>
如何延長(cháng)工作時(shí)間

手機用戶(hù)希望能增加所有新的功能而又不犧牲工作時(shí)間和電池壽命。雖然便攜式設備的電源管理技術(shù)正在不斷發(fā)展，但每年電源能量密度的改善都只有5%左右，遠遠不能滿(mǎn)足3G手機額外的電源需求。因此重擔落在了電源管理的肩上，即在無(wú)法依賴(lài)電池本身來(lái)延長(cháng)電源工作時(shí)間的情況下，需要一種新的解決方案以維持更長(cháng)的工作時(shí)間。使用新型的效率為85-90%的DC-DC降壓轉換器替代效率僅為40%的線(xiàn)性調節器成為必然趨勢。

3G手機中大多數數字處理器，照相機和主要的存儲設備都由開(kāi)關(guān)調節器來(lái)控制供電，以便能獲得最長(cháng)的工作時(shí)間。當然，諸如Wi-Fi和數字電視處理器這樣的新應用同樣也需要高效的電源管理。開(kāi)關(guān)調節器還會(huì )用來(lái)調控下一代CDMA和W-CDMA功率放大器的功率電平，這樣平均來(lái)說(shuō)也可以節省50%的電量。但是在手機中采用太多的開(kāi)關(guān)調節器也存在問(wèn)題，由于每路電源需要一個(gè)電感器和輸出電容器，開(kāi)關(guān)穩壓器還占用較大的電路板面積，在材料成本上的開(kāi)銷(xiāo)也相應增加。這些都是下一代手機必須克服的挑戰。

圖1顯示出2007年初3G手機電源管理解決方案的框圖。

圖1：一種3G手機電源解決方案

為了解決上述所面臨的嚴峻挑戰，應該從下面四個(gè)方面入手：

選用良好的封裝　　

研發(fā)出盡可能小的開(kāi)關(guān)調節器是實(shí)現最佳開(kāi)關(guān)調節解決方案的第一步。迄今為止，塑封產(chǎn)品如SOT23在便攜式電子產(chǎn)品中具有競爭力。但是現在設計師必須優(yōu)先考慮芯片級封裝技術(shù)(例如，國家半導體公司的mico SMD封裝技術(shù))，該技術(shù)使用非常小的封裝可以提供相同的功能。圖2給出了相同器件采用塑封與采用芯片級封裝的比較，區別是顯而易見(jiàn)的。