3G手機(jī)中的電源管理分割方案

第三代(3G)手機(jī)可提供具有更多功能的各種特性。當(dāng)消費(fèi)者享用這些通信設(shè)備最新及更好功能的時(shí)候，他們還繼續(xù)要求單個(gè)電池的工作時(shí)間更長(zhǎng)、手機(jī)的外形尺寸更小。盡管IC集成可幫助解決尺寸問(wèn)題，但同時(shí)也會(huì)增加設(shè)計(jì)復(fù)雜度并限制設(shè)計(jì)靈活性。當(dāng)今的手機(jī)設(shè)計(jì)工程師必須考慮多種因素來(lái)有效地優(yōu)化電池使用，以延長(zhǎng)電池工作時(shí)間。因此，必須結(jié)合使用高度集成化的電源管理單元和高性能分立器件來(lái)進(jìn)行電池管理、功率轉(zhuǎn)換以及系統(tǒng)管理。

　　圖1：3G手機(jī)的系統(tǒng)組成框圖。

　　兩難選擇：功能與電池功率

　　當(dāng)設(shè)計(jì)一款高級(jí)無(wú)線設(shè)備時(shí)，設(shè)計(jì)工程師將面臨一個(gè)兩難選擇。一方面，他們需要將許多功能集成到一個(gè)通常由電池和顯示屏的尺寸、復(fù)雜的用戶(hù)接口和設(shè)計(jì)工程學(xué)所決定的特定外形尺寸中;另一方面，電池的可用能量取決于決定它們能量密度與物理尺寸的化學(xué)特征，這些不斷變化的參數(shù)常常迫使設(shè)計(jì)工程師要更高效地使用電池功率，以滿足消費(fèi)者對(duì)待機(jī)時(shí)間和工作時(shí)間的要求。

　　如今的3G多功能手機(jī)能支持多個(gè)空中接口，不僅提供GSM、WCDMA等多波段調(diào)制解調(diào)器連接，還可通過(guò)藍(lán)牙、無(wú)線LAN、紅外以及USB接口進(jìn)行其它連接。數(shù)碼相機(jī)功能已成為許多手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，它需要復(fù)雜的相機(jī)引擎和高發(fā)光度的閃光燈來(lái)拍攝高質(zhì)量照片。隨著數(shù)據(jù)傳輸速度的增加，手機(jī)的視頻電話功能也有可能實(shí)現(xiàn)。此外，高速應(yīng)用處理器還提供強(qiáng)大的音/視頻處理能力，以支持?jǐn)?shù)字電視(DTV)信號(hào)和MPEG音頻編解碼。更新型的手機(jī)還將增加FM無(wú)線電和數(shù)字電視調(diào)諧器以增加手機(jī)的娛樂(lè)價(jià)值。數(shù)據(jù)吞吐量的提高最終將需要高密度的存儲(chǔ)容量，這可通過(guò)存儲(chǔ)器擴(kuò)展槽，甚至微型硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器來(lái)實(shí)現(xiàn)。不難想象，這些無(wú)線設(shè)備大部分還將兼有便攜式游戲設(shè)備的功能。

　　作為能量來(lái)源的電池在系統(tǒng)中占有重要地位。如今，幾乎百分之百的3G手機(jī)都采用鋰離子電池，這種電池是所有可充電化學(xué)電池中能量密度最高的。大多數(shù)電池的尺寸大約為50×40×5mm，容量在900mAh至1,200mAh之間。盡管燃料電池技術(shù)所能提供的能量密度將大大高于鋰離子電池的能量密度，但由于技術(shù)與政策上的問(wèn)題，預(yù)計(jì)還需數(shù)年時(shí)間燃料電池才能得到廣泛應(yīng)用。此外，鋰離子電池技術(shù)有望逐步得到改進(jìn)，其電池容量可能增加30(。因此，系統(tǒng)工程師基本上還會(huì)繼續(xù)使用可提供大約1,500-1,800mAh容量的鋰離子電池。

　　這種兩難選擇最終將驅(qū)動(dòng)數(shù)字與模擬半導(dǎo)體技術(shù)轉(zhuǎn)向下一個(gè)更低的功率節(jié)點(diǎn)，并推動(dòng)超高效電池使用技術(shù)的發(fā)展。

　　集成與布局的問(wèn)題

　　很顯然，隨著所有功能都被集成到一個(gè)尺寸相對(duì)較小的設(shè)備中，對(duì)一組合適的高性能模擬與數(shù)字器件進(jìn)行集成變得非常必要。為強(qiáng)調(diào)這種集成的復(fù)雜性，圖1給出了3G手機(jī)的主要系統(tǒng)架構(gòu)。

　　圖2：用于精確測(cè)量電池電量的電池電量計(jì)。

　　但問(wèn)題是：需要使哪些器件集成并如何解決手機(jī)外形尺寸對(duì)器件布局的影響?一個(gè)顯而易見(jiàn)的答案就是集成為基帶處理器、音頻子系統(tǒng)及接口器件供電的標(biāo)準(zhǔn)電源，這些標(biāo)準(zhǔn)電源為不同的手機(jī)平臺(tái)和使用同樣基本芯片組的手機(jī)供應(yīng)商所采用。但這存在兩個(gè)固有的重大挑戰(zhàn)。

　　首先，工業(yè)設(shè)計(jì)上的考慮將允許根據(jù)所需功能和人類(lèi)工程學(xué)、以多種不同方式設(shè)計(jì)手機(jī)?，F(xiàn)在，電氣設(shè)計(jì)需要考慮到手機(jī)可能被設(shè)計(jì)成棒狀、蛤殼狀或滑動(dòng)式手機(jī)造型，它們都是采用不同的顯示屏、鍵盤(pán)和揚(yáng)聲器配置。這些設(shè)計(jì)差異對(duì)如何放置顯示背光、相機(jī)模塊及其它子系統(tǒng)都有很大影響，而且在某種程度上還會(huì)限制這些元件的集成。有時(shí)候，電源或音頻功能的“一體化”集成可能意味著更長(zhǎng)的走線、復(fù)雜的電路板布局或由噪聲帶來(lái)的電氣設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。

　　其次，手機(jī)制造商需要對(duì)手機(jī)型號(hào)系列進(jìn)行富有成本效益的管理。為了用不同的手機(jī)型號(hào)滿足市場(chǎng)需求，手機(jī)制造商必須提供特性和性能水平不同的產(chǎn)品，而這些產(chǎn)品的價(jià)格也都不一樣。要想在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)中獲得最高利潤(rùn)，這些手機(jī)的成本必須隨功能而改變，而這將無(wú)法把每種功能都集成到一個(gè)大IC上。如果某個(gè)特性不是給定的手機(jī)型號(hào)所想要的，那么應(yīng)從電路板上卸下這個(gè)特定功能及其電源，以減少成本。

　　此外，采用相同基本芯片組的手機(jī)制造商還需要使其產(chǎn)品有別于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的產(chǎn)品，這也促使不對(duì)各種主要特性進(jìn)行集成以保持產(chǎn)品的差異化。產(chǎn)品差異化的典型例子可能包括(但不限于)：更亮的相機(jī)閃光燈、更強(qiáng)大的噴燈模式、D類(lèi)立體聲音頻性能、特殊顯示屏與鍵盤(pán)背光效果、MP3音頻播放功能、FM無(wú)線電以及精確的電池電量計(jì)量等。