手機(jī)用電源技術(shù)-加快上市時(shí)間并符合高效成本與尺寸要求

目前便攜式應(yīng)用集成了越來越多的功能，普遍的趨勢(shì)是手機(jī)已經(jīng)逐漸從單純的電話功能轉(zhuǎn)化成為數(shù)碼相機(jī)、移動(dòng)電視、游戲設(shè)備以及多媒體終端等多重角色?，F(xiàn)時(shí)數(shù)字科技，容許負(fù)責(zé)應(yīng)用程序的處理器也足以為終端用戶提供這些功能，不過卻也必須付出更高功耗的代價(jià)。

因此工程師就面臨了兩項(xiàng)主要的挑戰(zhàn)，首先必須要能滿足許多功能的高度集成，其次則是提供足夠的電池使用時(shí)間，而在逐漸增加的功能外，用戶的另一個(gè)強(qiáng)烈需求則是手機(jī)的外型與尺寸。

用戶通常并不愿意犧牲電池的使用時(shí)間，也不想因?yàn)榧闪似渌δ芏淖兪謾C(jī)的尺寸與外型。誰(shuí)會(huì)愿意購(gòu)買一部集成了電視、MP3、MPEG4與PDA功能，但電池的運(yùn)作時(shí)間卻只有兩個(gè)小時(shí)的手機(jī)？

圖1  MPEG4系統(tǒng)方塊圖
 
要克服這些挑戰(zhàn)，最好的策略是將更多的功能集成到芯片組中，帶有電源管理單元(PMU, Power Management Unit)，由兩或三片芯片集成的解決方案。除了提供手機(jī)電源外，電源管理單元基本上應(yīng)該集成所有必備的模擬功能，例如USB OTG收發(fā)器、音頻放大器、白光LED驅(qū)動(dòng)器以及部分比較器和部分按鍵照明用功率驅(qū)動(dòng)電路，這樣的做法既簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，又將控制電源所需資源降到最低，例如只需使用一個(gè)兩線式I2C總線就能夠控制整個(gè)PMU，且享有掌控外型尺寸與成本限制等主要優(yōu)勢(shì)。相當(dāng)明顯地，這樣做擁有許多的好處，預(yù)計(jì)能協(xié)助設(shè)計(jì)工程師克服這些挑戰(zhàn)。

不過雖然在PMU中集成了越來越多的電源相關(guān)功能，但隨著新一代手機(jī)的推出，對(duì)獨(dú)立型電源轉(zhuǎn)換集成電路(IC)產(chǎn)品的需求卻日益增加，其中一個(gè)理由相當(dāng)簡(jiǎn)單，那就是采用標(biāo)準(zhǔn)的解決方案而不與其他手機(jī)制造商進(jìn)行差異化將有助于推動(dòng)手機(jī)成為配備標(biāo)準(zhǔn)功能的標(biāo)準(zhǔn)化手機(jī)。不過這并不能滿足那些對(duì)科技敏感度較高以及要求更多新功能的消費(fèi)者，這也就是為什么手機(jī)制造商必須與眾不同并加入新功能來取得差異的主要原因。新功能可以讓產(chǎn)品對(duì)消費(fèi)者更具吸引力，也就是我們所謂的“差異化”，差異化促使設(shè)計(jì)工程師在設(shè)計(jì)中加入標(biāo)準(zhǔn)芯片組中沒有的部分功能，而這就可能需要另一個(gè)應(yīng)用程序處理器，或者是額外的電源。

另一個(gè)可以解釋需求逐漸升高的因素是更短的產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間，一方面市場(chǎng)上對(duì)新功能的要求讓設(shè)計(jì)時(shí)間必須越來越快。另一方面，要開發(fā)集成這些新功能的芯片組可能需要許多年的時(shí)間，而面向如此高度競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)，設(shè)計(jì)工程師一定不會(huì)愿意等到新芯片組的推出，而會(huì)選擇獨(dú)立型芯片與應(yīng)用程序處理器。

而設(shè)計(jì)工程師能夠考慮的最簡(jiǎn)單解決方案則是采用獨(dú)立型低壓降穩(wěn)壓器(LDO, Low Drop Out Regulator)，這類器件擁有使用簡(jiǎn)單且高性價(jià)比的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也具備相當(dāng)高的PSRR與超低噪聲等特性，使得它相當(dāng)適合用來做為非常敏感的模擬與射頻功能電源，同時(shí)符合成本與外型尺寸的限制。除此之外，考慮到鋰離子電池的輸入電壓范圍，例如3.0 V到4.2 V以及LDO解決方案本身的低轉(zhuǎn)換效率，設(shè)計(jì)工程師只有在低輸出壓差或者是低耗電流的電源上才會(huì)考慮使用這些器件。

數(shù)字式應(yīng)用處理器內(nèi)核的電源電壓由于工藝技術(shù)的進(jìn)步而逐年下降，目前1.8 V、1.5 V與1.2 V是相當(dāng)常見的電壓，未來的趨勢(shì)更將進(jìn)入1 V以下。在此同時(shí)，數(shù)字化處理能力和時(shí)鐘速度也隨著在固定空間內(nèi)加入更多功能的趨勢(shì)提升，這使得LDO再也不適合做為提供應(yīng)用處理器數(shù)字內(nèi)核電源的解決方案，舉例來說，考慮一個(gè)可能需要由鋰離子電池提供1.2 V電壓600 mA電流電源的內(nèi)核，其中最大壓差為4.2 - 1.2 = 3 V，因此我們可以假設(shè)會(huì)有3 x 0.6 = 1.8 W的功耗在LDO上，考慮到手機(jī)中必須使用的高密度印刷電路板上不良的散熱能力，普遍小型封裝器件的接面到大氣溫度系數(shù)平均高于100℃/W，因此我們可以預(yù)估，在25℃普通環(huán)境下，硅芯片的溫度會(huì)高達(dá)(100 x 1.8) + 25 = 205℃！這個(gè)溫度對(duì)硅芯片來說無法接受，同時(shí)也相當(dāng)確定地會(huì)影響到手機(jī)的可靠度，更不用說這個(gè)解決方案可能低達(dá)30%的超低轉(zhuǎn)換效率。

要提供這些亞微米應(yīng)用處理器內(nèi)核的電源，設(shè)計(jì)工程師無可避免地必須采用電感式直流─直流轉(zhuǎn)換器，這些器件結(jié)合了超過90%的高效率優(yōu)勢(shì)以及低熱消耗，適當(dāng)?shù)耐街绷鳗ぶ绷鹘祲菏睫D(zhuǎn)換器能夠提供應(yīng)用程序處理器內(nèi)核與輸出/入電壓的電源，選擇具備內(nèi)部同步整流功能的脈寬調(diào)制(PWM)轉(zhuǎn)換器將無需外加肖特基二極管，并在0.9 V到3.3 V的整個(gè)運(yùn)作范圍達(dá)到90%到96%的高效率，輸出電流更可高達(dá)600mA。

在便攜式應(yīng)用中，一個(gè)節(jié)省電源的方法是讓處理器進(jìn)入低功耗模式，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)作不需處理器的所有處理效能時(shí)，內(nèi)核處于低功耗的待機(jī)模式，或者是采用靜態(tài)式內(nèi)核設(shè)計(jì)時(shí)擁有最低功耗的睡眠模式，在這些模式中功耗需求相當(dāng)?shù)?。PWM直流─直流轉(zhuǎn)換器的一個(gè)缺點(diǎn)是當(dāng)輸出電流較低時(shí)，轉(zhuǎn)換器的效率也隨著降低，一個(gè)解決這個(gè)問題的方案是采用能夠自動(dòng)在輸出電流需求較低時(shí)轉(zhuǎn)換到脈沖頻率調(diào)制(PFM)方式的同步PWM降壓式轉(zhuǎn)換器，這類器件結(jié)合了兩種控制模式的優(yōu)點(diǎn)，因此不管輸出電流需求的高低都能維持高效率。 

但是當(dāng)內(nèi)核必須回復(fù)運(yùn)作時(shí)，電流需求會(huì)快速提升，可能會(huì)在幾個(gè)ms內(nèi)由數(shù)mA大幅提高到600mA的大小，因此直流─直流轉(zhuǎn)換器也必須要能夠快速做出反應(yīng)，否則輸出電壓將會(huì)下滑。同時(shí)電源監(jiān)測(cè)IC也可能檢測(cè)到這個(gè)下滑動(dòng)作而對(duì)處理器產(chǎn)生不必要的重置動(dòng)作，要克服這個(gè)潛在的問題需要一個(gè)具備快速負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的直流─直流轉(zhuǎn)換器，例如NCP1522就可以對(duì)300mA的電流需求步階變化提供40 mV的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，而在瞬變期間，這個(gè)變化可以由去耦合電容吸收，因此監(jiān)測(cè)重置IC不會(huì)檢測(cè)到這個(gè)變化，或者在最糟情況下，會(huì)將它視為寄生瞬態(tài)。

圖2  NCP1522的典型轉(zhuǎn)換效率曲線 (Vin = 4.2 V - Vout = 3.3 V) 

采用降壓型直流─直流轉(zhuǎn)換器時(shí)的一個(gè)主要考量是輸出濾波器的尺寸大小，為了能夠控制電源的尺寸，供應(yīng)商已經(jīng)改用更高的轉(zhuǎn)換頻率以便縮減輸出濾波器的尺寸，例如采用1MHz轉(zhuǎn)換的同步直流─直流轉(zhuǎn)換器NCP1512需要的是優(yōu)化的   10mH/10mF電感電容輸出濾波器。而新一代的2 MHz同步直流─直流轉(zhuǎn)換器NCP1522則搭配使用2.2mH/4.7mF，讓電容尺寸可以由C805縮小到C603，這個(gè)比較顯示出轉(zhuǎn)換頻率越高，輸出濾波器的尺寸就越小。

提供應(yīng)用程序處理器電源不只需要一個(gè)電壓，通常還需要加入如Vcc輸出/入電壓與Vcc模擬電壓等其他電源，Vcc輸出/入電壓在主處理器中越來越常見，而通常這也是事實(shí)，這個(gè)電源就可以共用并由主PMU提供。由于附屬應(yīng)用處理器可能不需要外部RAM存儲(chǔ)器或閃存，同時(shí)可能與主處理器共用部分存儲(chǔ)器空間或串行通信連線，因此這樣做相當(dāng)合理。另外考慮到模擬電源Vcc，雖然可以和主處理器共用，但如果附屬應(yīng)用程序處理器在電路板上的位置距離主PMU較遠(yuǎn)，甚至是安排在不同的電路板上時(shí)，那么這就不是一個(gè)明智的選擇。設(shè)計(jì)工程師在提供處理器電壓時(shí)必須盡可能地接近目標(biāo)。如前面所提，模擬電源通常需要一個(gè)低噪聲LDO，目前廠商較常采用的選擇之一是提供集成一個(gè)面向內(nèi)核電源的PWM/PFM同步直流─直流轉(zhuǎn)換器以及可以應(yīng)用在應(yīng)用程序處理器輸出/入或模擬部分LDO電源的小型化電源IC產(chǎn)品，NCP1526就是一個(gè)例子。

圖3  NCP1522負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng) 

要集成高噪聲轉(zhuǎn)換式直流─直流轉(zhuǎn)換器與提供較敏感射頻或模擬功能電源的超低噪聲LDO是一個(gè)相當(dāng)大的挑戰(zhàn)，同時(shí)在效率、PSRR、噪聲等標(biāo)準(zhǔn)篩選條件外，設(shè)計(jì)工程師還必須額外注意LDO與直流─直流轉(zhuǎn)換器間的串?dāng)_(crosstalk)，這個(gè)參數(shù)區(qū)分了LDO能夠拒絕由直流─直流轉(zhuǎn)換器所傳送過來噪聲的能力，通常主要發(fā)生在面臨大幅度電流瞬變時(shí)。

圖4  NCP1526的典型應(yīng)用 

如圖5中所顯示，NCP1526擁有相當(dāng)好的串?dāng)_特性，使得它非常適合應(yīng)用在提供較敏感的模擬與射頻模塊電源，同時(shí)還具備滿足高速內(nèi)核處理器所需要的絕佳瞬態(tài)響應(yīng)。

圖5  NCP1526串?dāng)_與負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng) 

在手機(jī)的開發(fā)上，我們無可避免地采用一個(gè)集成型電源管理IC做為內(nèi)核電源，這個(gè)IC結(jié)合了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的高度集成且高效率解決方案，同時(shí)具備高性價(jià)比。不過由于在手機(jī)需求變化或各家制造商加入差異化功能時(shí)較無彈性且芯片與芯片組開發(fā)時(shí)間過長(zhǎng)，小型化直流─直流轉(zhuǎn)換器與小型電源IC預(yù)計(jì)將在手機(jī)開發(fā)的應(yīng)用上擁有光明的未來。假如供應(yīng)商能夠提供兼具高性價(jià)比、高效益空間使用與高轉(zhuǎn)換效率的解決方案，手機(jī)設(shè)計(jì)工程師就可以擁有許多選擇，其中直流─直流降壓式轉(zhuǎn)換器還是應(yīng)用程序處理器內(nèi)核電源的最佳解決方案，而LDO則依舊是射頻與對(duì)噪聲較為敏感功能的最佳選擇。

器件封裝的發(fā)展挑戰(zhàn)

手機(jī)的輕巧外型同時(shí)也引領(lǐng)了這些IC產(chǎn)品的新封裝技術(shù)發(fā)展，制造商的趨勢(shì)是開發(fā)出超薄手機(jī)，其中一個(gè)可以解釋Motorola公司RAZR產(chǎn)品能夠在全球獲致相當(dāng)成功的因素是它的創(chuàng)新設(shè)計(jì)與超薄外型。

目前手機(jī)中最常使用的封裝方式為TSOP與DFN或QFN，雖然它們擁有相當(dāng)良好的溫度特性，讓這些封裝成為功率IC的最佳選擇，但厚度卻無法突破 0.9 mm，而這正是超薄手機(jī)發(fā)展的一個(gè)限制。直到目前為止，供應(yīng)商能夠提供給設(shè)計(jì)工程師的唯一更薄解決方案為μBump，雖然它的0.55 mm厚度可以實(shí)現(xiàn)超薄設(shè)計(jì)，但是這個(gè)封裝的主要缺點(diǎn)是總體解決方案的成本，同時(shí)不僅考慮到封裝的本身，印刷電路板設(shè)計(jì)上的要求，例如微型穿透激光也會(huì)增加復(fù)雜度與生產(chǎn)成本，同時(shí)散熱效率也不高，使得這個(gè)封裝無法應(yīng)用在如高功率直流─直流轉(zhuǎn)換器等功率器件上。最后，采用這個(gè)封裝還需要生產(chǎn)線上較高的技術(shù)能力，同時(shí)也會(huì)因?yàn)楹附硬涣糏C數(shù)目的增加以及生產(chǎn)線后段測(cè)試的高淘汰率壓低了整個(gè)生產(chǎn)的效率。

安森美半導(dǎo)體推出了新的功率器件，例如直流─直流轉(zhuǎn)換器NCP1521、集成型電源芯片NCP1526，同時(shí)還有LLGA封裝或稱為mDFN封裝的音頻放大器NCP2820，厚度僅0.55 mm，克服了mBump封裝的限制，同時(shí)提供相當(dāng)良好的散熱特性。

mDFN可以允許設(shè)計(jì)工程師在0.5 mm間距內(nèi)加入10根引腳，集成了降低總體解決方案尺寸卻不增加印刷電路板設(shè)計(jì)限制的優(yōu)勢(shì)，并且允許生產(chǎn)線采用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)流程。