iPhone為何用固定電池？業(yè)界專(zhuān)家談智能手機的電源管理策略

手機正在逐步與多種數碼產(chǎn)品進(jìn)行功能融合，例如DSC、MP4、移動(dòng)TV、Pocket PC、WiFi、GPS等，隨之帶來(lái)的是系統對供電電源的強烈渴望。電池容量從數百毫安時(shí)變成現在數千毫安時(shí)，在這種情況下，如何更有效地利用有限的電量，提升產(chǎn)品的待機、工作時(shí)間？DC-DC作為目前IC行業(yè)高效利用能源的典范，在手機中的應用越來(lái)越廣泛。作為低壓小體積嵌入式系統的代表，手機對DC-DC的尺寸、厚度、外圍器件的復雜度、轉換效率、輸出紋波、靜態(tài)電流、啟動(dòng)時(shí)間都有著(zhù)明確的要求，尺寸也越來(lái)越小。

“DFN/SOT/CSP封裝是手機目前使用的DC-DC的主流；各種負載狀態(tài)下的高效率是選用器件的根本；輸出紋波、啟動(dòng)時(shí)間則隨著(zhù)功能單元的需求而定；靜態(tài)電流則決定了器件的應用范圍以及效率的高低?！笔グ钗㈦娮佑邢薰井a(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理呂亮表示。

“智能手機開(kāi)機往往要很長(cháng)時(shí)間，為了加快反應，一般關(guān)機僅僅使手機進(jìn)入深度睡眠，實(shí)現所謂‘1秒開(kāi)機’。像iPhone更是不惜舍棄更換電池的方便，把電池固定在主板上，就是為了實(shí)現快速啟動(dòng)。然而這樣的待機設計對DC-DC的靜態(tài)電流就提出了苛刻的要求?！钡轮輧x器中國區高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理張洪為指出。

雖然PMU、DC-DC以及LDO目前在智能手機的管理中各負其責，但是DC-DC以其靈活性和高效率仍扮演著(zhù)重要的角色。本期我們邀請了眾多業(yè)內電源管理專(zhuān)家，他們就智能手機未來(lái)發(fā)展所需要的電源管理策略發(fā)表了精辟看法，并介紹了一些最新產(chǎn)品。

智能手機電源管理的三大挑戰

德州儀器中國區高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)經(jīng)理張洪為

張洪為：iPhone不惜舍棄更換電池的方便，把電池固定在主板上，就是為了實(shí)現快速啟動(dòng)。

智能手機增加了若干路電源的需求如Vcore、DDR2內存等，復雜性大大增加；外部模塊的大量引入，也加大了系統的待機功耗和消耗電流，電池的續航成為設計挑戰?？偟膩?lái)看，DC-DC有三個(gè)新需求：

1. 更小的體積。在纖薄的設計中塞入更多的部件，如GPS模組、藍牙模組、自動(dòng)對焦攝像模組等等，體積變成最苛刻的要求之一。

2. 更低的靜態(tài)電流。iPhone不惜舍棄更換電池的方便，把電池固定在主板上，就是為了實(shí)現快速啟動(dòng)。然而這樣的待機設計對DC-DC的靜態(tài)電流就提出了苛刻的要求，典型情況在20μA/通道以下。

電源產(chǎn)品需要盡可能降低靜態(tài)電流，一般好的DC-DC靜態(tài)耗電(專(zhuān)指無(wú)負載狀態(tài)/正常電壓輸出，而不是指處于關(guān)斷模式/無(wú)電壓輸出)只有15μA左右，差的往往到150μA~800μA。這里需要強調指出的是LDO，大家對DC-DC非常關(guān)注，對LDO的靜態(tài)電流關(guān)注不夠。由于對低噪聲追求，一般LDO的靜態(tài)電流往往比DC-DC大得多，通常在80~150μA左右，這樣的LDO如果有5個(gè)，對待機時(shí)間的影響最大會(huì )有10~20%，這是最容易解決但也是最容易被忽視的地方。

3. 核電壓Vcore需要隨頻率動(dòng)態(tài)調整。進(jìn)行桌面管理時(shí)，CPU 50MHz的頻率就已綽綽有余，播放D1視頻解壓縮則需要以最快速度600MHz或更高的速度工作。當然不同狀態(tài)下的功耗也相差若干倍，為了解決這樣的挑戰，動(dòng)態(tài)調整Vcore變成智能手機成功的一個(gè)關(guān)鍵。TI提出的SmartReflex技術(shù)在Class3時(shí)可以實(shí)現基于硬件的自適應電壓頻率調整，在Class2時(shí)可以實(shí)現基于軟件的電壓頻率調整，可完整地解決最大性能和最小功耗的矛盾。對于非TI處理器，TI的DC-DC或PMU一樣可以軟件或硬件方式實(shí)現核電壓的動(dòng)態(tài)調整。

至于LDO，在智能手機中它有時(shí)僅僅作為負載開(kāi)關(guān)來(lái)使用，因此往往對其性能要求不高；但是如果需要給WiFi、GPS、藍牙等模塊供電時(shí)，則需要低噪聲，高電源抑制比的LDO。

基于以上三個(gè)挑戰，TI不斷推出新一代的產(chǎn)品。首先，針對一般用途的DC-DC，TI發(fā)布了新一代單通道DC-DC轉換器TPS62240、TPS62260、TPS62290等，它們采用了更高的頻率—2.25MHz和更小的2×2或TSOT23(為和上一代兼容而設)封裝，這使得整個(gè)方案面積只有上一代的一半，更特別的是，靜態(tài)電流降到了15μA。

針對智能手機的應用處理器，TI率先發(fā)布了TPS62400系列雙DC-DC，它帶有1線(xiàn)總線(xiàn)控制，可以動(dòng)態(tài)地改變核電壓。兩路DC-DC處于同頻反相狀態(tài)，輸入紋波電流互相填補，大大減弱了EMI帶來(lái)的影響。

便攜產(chǎn)品的DC-DC絕大部分可以工作在100%占空比下，這時(shí)的效率往往接近100%。標示95%最高還是97%最高僅僅是測試條件不相同。

TI最近發(fā)布的絕大部分DC-DC產(chǎn)品在用戶(hù)實(shí)際使用環(huán)境下，從負載1mA到滿(mǎn)載，效率幾乎全在90%以上，為使用者提供了最大的電池續航時(shí)間。

PWM/PFM結合，DC-DC工作于雙模式

安森美半導體中國區銷(xiāo)售副總裁林劍銘

多媒體處理、藍牙、WLAN、GPS越來(lái)越多復雜的功能加入到手機中，每一種新功能都會(huì )帶來(lái)額外的電力消耗。在手機的電路里，電源管理通常由功率管理單元(PMU或PMIC)來(lái)完成。然而，每款PMU都是針對特定芯片平臺優(yōu)化的，這意味著(zhù)它很可能難以滿(mǎn)足越來(lái)越多額外的供電需求。因此我們會(huì )看到很多智能手機會(huì )用到額外的電源管理器件。

采用線(xiàn)性調整器(LDO)可以設計出簡(jiǎn)單便宜的供電系統。然而，用于實(shí)現新功能的處理器多是耗電大戶(hù)。它們的核電壓低至1V左右，消耗電流動(dòng)不動(dòng)就幾百毫安。如果使用LDO，其低效率將會(huì )耗掉可觀(guān)的電池容量，同時(shí)給手機帶來(lái)嚴重的散熱問(wèn)題。在這種情況下，DC-DC成為處理器核供電的唯一可行的選擇。

針對處理器供電的需求，安森美半導體的系列降壓DC-DC產(chǎn)品全部采用集成FET的同步整流技術(shù)以提高效率、方便設計同時(shí)節省PCB占用空間。為了盡可能提高效率，該系列產(chǎn)品采用了PWM/PFM結合，在中、重負載，DC-DC工作在PWM模式，在輕負載時(shí)自動(dòng)轉換到PFM模式。

在安森美半導體產(chǎn)品中，NCP1521B(1.5MHz，600mA)、NCP1529(1.7MHz, 1A)、NCP1522B (3MHz，600mA)是單輸出降壓轉換器，效率高達95%以上。除單輸出DC-DC外，NCP1526集成一顆3MHz，400mA DC-DC降壓轉換器及一顆低噪聲LDO。其中DC-DC用于核電壓供電；LDO用于噪聲敏感設備(如PA)供電；NCP1526非常適合手機電視處理器應用。

NCP1532是雙輸出2.25MHz降壓轉換器，每一路可輸出高達1A電流。雙輸出降壓轉換器適合復雜的高電流消耗的處理器系統，例如X-scale供電。

國內DC-DC應用受MTK平臺制約，要放眼全球

卓芯微電子市場(chǎng)部經(jīng)理孫連鋒

DC-DC轉換器的特點(diǎn)非常適合未來(lái)便攜產(chǎn)品的設計需求，特別是智能手機等中高端產(chǎn)品，它需要在以下幾方面進(jìn)行提升：

1. 不斷提高效率。
2. 不斷減少電感的尺寸：基于優(yōu)化DC-DC的周邊電路，節省空間，降低電感的成本，需要進(jìn)一步提高DC-DC的工作頻率。
3. 降低反饋電壓：當前的應用存在著(zhù)越來(lái)越低的輸出電壓需求，降低反饋電壓成為未來(lái)設計的潛在需求。

從國內手機的設計發(fā)展來(lái)看，DC-DC應用受到MTK方案的制約，發(fā)展緩慢。但是如果站在全球手機設計發(fā)展的平臺上來(lái)看，狀況將會(huì )不同，主要表現在以下幾方面：

1. 越是高端的平臺，越是可以進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)移植的平臺，其對于電源設計越會(huì )展現多樣性。如TI平臺，其對于DC-DC有很多應用的需求。
2. 手機功能的不斷增加，以及數據處理的不斷增強都使DC-DC應用不斷增加。
3. 在要求低輸出電壓，大電流輸出時(shí)，DC-DC是有效的選擇。

從中高端的智能手機角度來(lái)看，DC-DC將會(huì )僅次于PMU，成為最為重要的電源管理器件。

我們堅信國內手機設計公司在不久的將來(lái)一定會(huì )跨越當前的設計壁壘，突破當前手機設計單一化，標準化的模式，因此我們一直關(guān)注，并且致力于手機DC-DC的發(fā)展。目前，卓芯微電子可提供多款降壓及升壓DC-DC。

手機電源管理芯片需要低功耗和低成本

長(cháng)運通國際集團總經(jīng)理古道雄

古道雄：DC-DC要求輸出電壓紋波更小、噪聲更小以及工作頻率更高，這樣外部可以采用較小的電感電容。

智能手機對其供電管理的電源單元提出了新的要求。以DC-DC為例，要求功耗更低，效率更高，最好是較寬輸入電壓和負載電流情況下效率達90~98%；要求輸出電壓范圍更廣；輸出電壓紋波更小、噪聲更小以及工作頻率更高，這樣外部可以采用較小的電感電容等。除此之外，還有多通道輸出的要求。

智能手機中常用的電源管理IC有PMU、DC-DC以及LDO，三者將在整個(gè)系統中優(yōu)勢互補并長(cháng)期共存。PMU將主要對系統中主要模塊進(jìn)行電源管理，此芯片比較專(zhuān)用，兼容性較差。它主要對系統主芯片進(jìn)行電源管理，將是系統的電源核心。DC-DC轉換器對主芯片以外的電源部分提供了一種高效率電源管理器件，主要用于較大電流部分使用。但它還是有尺寸、噪聲和開(kāi)關(guān)損耗較大的問(wèn)題。最佳的DC-DC轉換器必須在工作頻率和封裝尺寸之間找到一個(gè)理想的平衡點(diǎn)。LDO的優(yōu)勢在于信噪抑制比高、體積小。在要求便攜設備布局布線(xiàn)的限制、對噪聲敏感的應用(像RF模塊、照相模塊)上有其它IC無(wú)法代替的地位。

目前來(lái)看，雖然PMU都是由國際手機平臺大廠(chǎng)供應，但應該看到的是手機電源管理芯片市場(chǎng)的巨大容量和不斷增長(cháng)的需求。手機電源管理芯片需要低功耗低成本，以DC-DC為例，在轉換效率達到90%以上后，價(jià)格就變成一個(gè)非常重要的選擇因素，因此作為國內的電源管理器件設計公司也還是有很多機會(huì )的。以我們長(cháng)運通來(lái)說(shuō)，我們已經(jīng)擁有了全部PMU中的各個(gè)電源管理控制電路產(chǎn)品模塊，包括LDO、同步升壓DC-DC、同步降壓DC-DC、背光驅動(dòng)、鋰電充電控制等等。

比如CYT3400為同步升壓IC，CYT3406為同步降壓IC，二者都具有靜態(tài)電流小，轉換效率高等優(yōu)勢，輸出電流達600mA以上。CYT3400封裝為SOT23-6；CYT3406封裝為SOT23-5。

今年我們還將推出輸出電壓低至0.8V，輸出電流800mA的雙通道的DC-DC產(chǎn)品；同步整流96%效率的升降壓轉換器產(chǎn)品，其靜態(tài)工作電流只有30μA；以及同步整流600mA的DC-DC加上一個(gè)250mA LDO、帶POWER OK功能的雙通道電源管理產(chǎn)品。下一步我們還將積極針對智能手機的特種需求配合方案設計公司共同定義一些專(zhuān)用的PMU系列產(chǎn)品。

市場(chǎng)替代效應明顯，電源IC廠(chǎng)商小者恒小

茂達電子副理陳春全

多媒體移動(dòng)裝置耗能主要來(lái)自面板與白光LED，因此產(chǎn)品設計主要以改善面板耗電及白光LED省電方式為主要發(fā)展方向，以提升電壓穩定度、提高電源IC工作效率為目標，產(chǎn)品設計重點(diǎn)關(guān)注于以下幾個(gè)方面：小封裝、低耗流、降低靜態(tài)電壓、提高切換頻率效能、低噪聲并可延長(cháng)電池壽命。

針對未來(lái)商機而言，電源IC產(chǎn)業(yè)將面臨的挑戰是大電流/低輸出電壓應用、電源轉換效率提升以及電源管理功能、整合電路設計、產(chǎn)品散熱解決方案、新小型封裝or SIP、信賴(lài)性生產(chǎn)等，雖為挑戰，卻也是電源IC廠(chǎng)商所擁有的機會(huì )。

在市場(chǎng)替代效應下，低端市場(chǎng)競爭激烈，高端市場(chǎng)進(jìn)入不易，導致電源IC產(chǎn)業(yè)走向大者恒大、小者恒小的趨勢；再者為求提升解決方案的完整性及客戶(hù)掌握度，同業(yè)間積極尋求策略聯(lián)盟或合并以取得更大商機亦是趨勢。

臺灣地區IC設計廠(chǎng)商如何避免進(jìn)入價(jià)格廝殺的窘境？產(chǎn)品應用設計將朝向整合(SIP/SOC)方向發(fā)展，如何與主芯片供貨商策略合作？其次如工藝的改善、高壓制程來(lái)源的開(kāi)發(fā)、還有銷(xiāo)售渠道的整合等等皆是電源IC廠(chǎng)商所面臨的課題。茂達電子憑借累積多年努力的基礎及現有產(chǎn)品線(xiàn)及應用面具足的條件，將順勢而起。

茂達電子是一家經(jīng)驗豐富的電源模擬IC設計公司，成立于1997年，產(chǎn)品線(xiàn)包括電源轉換及電源管理IC、放大器及驅動(dòng)IC及離散式功率組件三大類(lèi)，以移動(dòng)多媒體產(chǎn)品為重點(diǎn)。

以1.2美元的價(jià)格提供高集成度PMU

Active Semi市場(chǎng)部經(jīng)理龔志

龔志：PMU里都集成了一些開(kāi)關(guān)控制和I2C管理，可以方便開(kāi)關(guān)和動(dòng)態(tài)調節輸出電壓部分。

首先我們要考慮提高器件的效率—高效的DC-DC、低壓差的LDO是我們首先要考慮的。降低器件的本身?yè)p耗后，我們要想還有什么辦法降低能耗？某些功能模塊不用時(shí)關(guān)閉它，這一定是個(gè)很好的選擇。同時(shí)我們知道現在很多處理器都有睡眠模式，通過(guò)降低或關(guān)斷CORE電壓來(lái)實(shí)現，還有一些更節電的方式，如同時(shí)降低或關(guān)掉某些存儲器與PLL的電壓來(lái)進(jìn)入深度睡眠。這樣的情況下PMU開(kāi)始體現優(yōu)勢，PMU里都集成了一些開(kāi)關(guān)控制和I2C管理，可以方便開(kāi)關(guān)和動(dòng)態(tài)調節輸出電壓部分。

Active Semi一直非常專(zhuān)注于Modem+AP市場(chǎng)，隨著(zhù)單芯片GSM平臺(All-in-one)和AP越來(lái)越成熟，未來(lái)智能手機市場(chǎng)也會(huì )越來(lái)越普及。

2007年3月我們推出一款PMU——ACT8740，它集成Charger +1DC-DC+3 RF LDO+W-LED驅動(dòng)，采用4×4mm 24pin DFN封裝, 非常方便應用于這個(gè)市場(chǎng)。在設計中我們通過(guò)一些特別的技術(shù)來(lái)提高PWM的效率(DC-DC做到95%效率，W-LED部分可以做到90%效率)，同時(shí)內部集成電源管理的部分無(wú)需增加任何外圍器件，對于一些大客戶(hù)的報價(jià)僅1.2美元。

2007年8月，我們根據一些客戶(hù)反饋需要增加了更多的功能模塊，推出了ACT5830，該產(chǎn)品集成了Charger(LDO mode)+DC-DC+5 LDO+3 RF LDO+2 Open drain switch，采用5×5mm 40pin DFN封裝。同樣在做到高效率的同時(shí)，加強了充電部分的功能，在電池不占位時(shí)，充電部分可轉化為線(xiàn)性供電給整個(gè)系統。同時(shí)我們增加了2個(gè)開(kāi)關(guān)驅動(dòng)供給手持特別應用。對于一些大客戶(hù)的報價(jià)只有1.4美元。

顯示技術(shù)進(jìn)步對DC-DC的要求

理光微電子(上海)有限公司董事大久保秀

大久保秀：以有機EL為代表的新型顯示器件和觸摸屏對DC-DC提出新要求。

智能手機和多模式手機系統在功能完善上正不斷進(jìn)步，低功耗小型化的電源IC成為不可或缺的產(chǎn)品。此外，AV功能的高性能化以及以有機EL為代表的新型顯示器件、觸摸屏等也得到了廣泛應用。

APU/MP所用的DC-DC對工作狀態(tài)時(shí)的效率、高速應答特性，以及頻率的高速化的要求正逐漸提高。顯示用電源IC對擁有有機EL支持的要求在增加。PM-OLED使用的升壓DC-DC、AM-OLED使用的升壓和反向(負電壓)DC-DC也必不可少。

下面以代表性的單一功能DC-DC轉換器為例，向大家介紹APU/MP用的降壓DC-DC轉換器和顯示用的DC-DC轉換器。

APU/MP用的DC-DC轉換器代表性產(chǎn)品RP500，500mA?級，頻率1.2MHz降壓同期整流轉換器，0-> 400mA的瞬態(tài)響應特性的反應時(shí)間在10微秒以下。在上述特性下我們還能夠提供非常小的1.29×0.87(WL-CSP)封裝。

白光LED背光驅動(dòng)的升壓轉換器的代表產(chǎn)品是R1218，它實(shí)現了內置FET，二極管的小型化，并且其工作效率達到了創(chuàng )新水平(白光LED4個(gè)串聯(lián)，使用內置二極管的條件下大約是85%的效率)。CCD、AMOLED使用的復合電源(升壓反向兩種模式)的代表產(chǎn)品是R1283，不僅內置了FET，同時(shí)也內置了這兩個(gè)系統的上電時(shí)序。此外，PM-OLED使用、高速調光使用、劃時(shí)代AM-OLED使用的產(chǎn)品都將在今年內問(wèn)世。

適用于多個(gè)主流平臺的射頻LDO

圣邦微電子有限公司產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理呂亮

PMU、DC-DC以及LDO在電子設備中扮演不同的角色。PMU在有限的體積內集成了盡可能多的電源通道，根據各個(gè)子單元的需求，或提供高效率的供電，或提供低噪聲的干凈電源，或者是系統必須的上電時(shí)序控制，成為為系統供電的首選；DC-DC可以根據功能單元的需求，提供自由、高效的電源供應，在智能手機中成為不可或缺的部分；LDO作為線(xiàn)性電源的標桿，在低壓系統中，無(wú)論是音頻、射頻等需要高PSRR(電源噪聲抑制比)性能的應用，還是在存儲器、鎖相環(huán)等需要高精度的應用，或是鍵盤(pán)燈、液晶屏需要低成本抑制干擾的應用都可以看到它的身影，LDO是必不可少的電源供應者。

圣邦微電子在公司IC的規劃中，很早就定位了各種便攜產(chǎn)品易用的產(chǎn)品：例如得到廣大手機用戶(hù)廣泛應用的通用LDO(SGM2014、SGM2015)、射頻LDO(SGM2006、SGM2007)；高端智能手機、GPS手機、MDTV手機、DSC中應用的多通道DC-DC，例如5通道DC-DC(SGM2101)、7通道DC-DC(SGM2100)；各種數碼產(chǎn)品中應用的升降壓DC-DC(SGM3406、SGM3400)。

以L(fǎng)DO為例，SGM2007系列作為射頻LDO的代表，在MTK、Infenion、NXP、Spreadtrum、ADI等多個(gè)平臺的射頻部分得到驗證，完全滿(mǎn)足射頻部分高PSRR(73dB at 1kHz)，低相位差，快速啟動(dòng)(小于20S)，瞬態(tài)響應性能好，電流驅動(dòng)能力大(300mA)的要求,輸出噪聲低(小于30VRMS)。

為滿(mǎn)足便攜產(chǎn)品靈活設計的需要，公司未來(lái)會(huì )推出單路升降壓DC-DC，例如SGM3406、SGM3400。

PMU價(jià)格偏貴，DC-DC更靈活

上海韋爾半導體股份有限公司副總裁馬劍秋

從目前智能手機的架構來(lái)看，除了TI的OMAP平臺使用內建GSM處理的CPU之外，其他都是以AP加通信模塊的方式來(lái)實(shí)現。為此，手機PMU的功能僅表現為處理通信模塊，而作為主處理器的AP，由于其核心工作電壓低，工作電流大，如何提高電源轉換的效率變得極為重要，否則，除了損耗大以外，發(fā)熱問(wèn)題也將嚴重影響系統的穩定性。應用要求不僅在正常輸出時(shí)DC-DC器件有很好的效率，在器件輕載時(shí)也要求器件提供足夠的效率。除此之外，不斷提高電池壽命的需求使客戶(hù)對靜態(tài)電流的要求越來(lái)越苛刻。

作為專(zhuān)門(mén)針對某個(gè)AP平臺設計的PMU，其針對性強，應用簡(jiǎn)單。但無(wú)可避免的就是價(jià)格相對較高，應用不夠靈活，DC-DC效率相對低。DC-DC作為分立方案提供者，設計靈活，對于具體的應用可以做到很高的效率，而且性?xún)r(jià)比好，是設計者最常用的應用方式，缺點(diǎn)是電路復雜；LDO則應用在輸入輸出壓差較小，且工作電流比較小的場(chǎng)合，而且價(jià)格最便宜。韋爾半導體作為模擬電路主要供應商之一，針對以上應用提供三種方案：

1. 可調輸出的DC-DC，這樣電路簡(jiǎn)單，可以統一使用一個(gè)型號，缺點(diǎn)是對某些輸出電壓的效率不高。對于1.8V以上的輸出電壓，最高效率可以達到95%，輕載效率不小于80%。
2. 1.2V固定輸出的DC-DC，應用簡(jiǎn)單，對于1.2V輸出效率可以做到最高。
3. 1.2V輸出的LDO，對于1.2V的工作電壓，如果工作電流比較小(小于50mA)，用LDO是一種低成本的方案，由于總體功耗不大，這種應用也有一定的市場(chǎng)。