3G手機中的電源管理分割探討

第三代(3G)手機可提供具有更多功能的各種特性。當消費者享用這些通信設(shè)備最新及更好功能的時候，他們還繼續(xù)要求單個電池的工作時間更長、手機的外形尺寸更小。盡管IC集成可幫助解決尺寸問題，但同時也會增加設(shè)計復雜度并限制設(shè)計靈活性。當今的手機設(shè)計工程師必須考慮多種因素來有效地優(yōu)化電池使用，以延長電池工作時間。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進行電池管理、功率轉(zhuǎn)換以及系統(tǒng)管理。

圖1：3G手機的系統(tǒng)組成框圖。

兩難選擇：功能與電池功率

當設(shè)計一款高級無線設(shè)備時，設(shè)計工程師將面臨一個兩難選擇。一方面，他們需要將許多功能集成到一個通常由電池和顯示屏的尺寸、復雜的用戶接口和設(shè)計工程學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特征，這些不斷變化的參數(shù)常常迫使設(shè)計工程師要更高效地使用電池功率，以滿足消費者對待機時間和工作時間的要求。

如今的3G多功能手機能支持多個空中接口，不僅提供GSM、WCDMA等多波段調(diào)制解調(diào)器連接，還可通過藍牙、無線LAN、紅外以及USB接口進行其它連接。數(shù)碼相機功能已成為許多手機的標準配置，它需要復雜的相機引擎和高發(fā)光度的閃光燈來拍攝高質(zhì)量照片。隨著數(shù)據(jù)傳輸速度的增加，手機的視頻電話功能也有可能實現(xiàn)。此外，高速應用處理器還提供強大的音/視頻處理能力，以支持數(shù)字電視(DTV)信號和MPEG音頻編解碼。更新型的手機還將增加FM無線電和數(shù)字電視調(diào)諧器以增加手機的娛樂價值。數(shù)據(jù)吞吐量的提高最終將需要高密度的存儲容量，這可通過存儲器擴展槽，甚至微型硬盤驅(qū)動器來實現(xiàn)。不難想象，這些無線設(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手機都采用鋰離子電池，這種電池是所有可充電化學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)與政策上的問題，預計還需數(shù)年時間燃料電池才能得到廣泛應用。此外，鋰離子電池技術(shù)有望逐步得到改進，其電池容量可能增加30(。因此，系統(tǒng)工程師基本上還會繼續(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)動數(shù)字與模擬半導體技術(shù)轉(zhuǎn)向下一個更低的功率節(jié)點，并推動超高效電池使用技術(shù)的發(fā)展。

集成與布局的問題

很顯然，隨著所有功能都被集成到一個尺寸相對較小的設(shè)備中，對一組合適的高性能模擬與數(shù)字器件進行集成變得非常必要。為強調(diào)這種集成的復雜性，圖1給出了3G手機的主要系統(tǒng)架構(gòu)。

圖2：用于精確測量電池電量的電池電量計。

但問題是：需要使哪些器件集成并如何解決手機外形尺寸對器件布局的影響?一個顯而易見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準電源，這些標準電源為不同的手機平臺和使用同樣基本芯片組的手機供應商所采用。但這存在兩個固有的重大挑戰(zhàn)。

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

其次，手機制造商需要對手機型號系列進行富有成本效益的管理。為了用不同的手機型號滿足市場需求，手機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)品的價格也都不一樣。要想在競爭激烈的市場中獲得最高利潤，這些手機的成本必須隨功能而改變，而這將無法把每種功能都集成到一個大IC上。如果某個特性不是給定的手機型號所想要的，那么應從電路板上卸下這個特定功能及其電源，以減少成本。

此外，采用相同基本芯片組的手機制造商還需要使其產(chǎn)品有別于競爭對手的產(chǎn)品，這也促使不對各種主要特性進行集成以保持產(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)：更亮的相機閃光燈、更強大的噴燈模式、D類立體聲音頻性能、特殊顯示屏與鍵盤背光效果、MP3音頻播放功能、FM無線電以及精確的電池電量計量等。

分立電源器件的選擇

如圖1所示，為不同子元件供電的典型非集成電源器件，可能是作為手機電池組一部分的電池電量計、效率高但體積小的高頻DC/DC內(nèi)核電源、驅(qū)動相機閃光燈白光LED的高性能DC/DC升壓驅(qū)動器、帶OLED電源的白光LED背光驅(qū)動器、次顯示屏以及具有超低電源抑制比(PSRR)的線性穩(wěn)壓器等。在進行大部分集成時，首先要集成消費者喜歡的一些已有特性，而具有更高性能和效率的領(lǐng)先模擬半導體技術(shù)，包括經(jīng)過優(yōu)化的分立電源管理器件等，將隨付運量的增加及功能的標準化而逐漸被越來越多地集成。

圖3：驅(qū)動高亮度相機閃光燈LED的高效率升壓DC/DC轉(zhuǎn)換器。

為進一步優(yōu)化電源管理并盡量延長電池工作時間，必須考慮以下三個重要方面的問題。首先，電池管理必須能處理電池充電及電量測量。其次，電源轉(zhuǎn)換必須盡可能高效地將電池功率轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)元件可用的功率。第三，用于分析處理器的實際電源消耗并控制多個電源的系統(tǒng)電源管理，必須對電池的使用進行優(yōu)化。前兩個問題可通過選擇合適的電源管理器件來專門解決，而第三個問題則與主要處理軟件的開發(fā)有關(guān)。

在電池管理中，電池“電量計”正變得日益流行。傳統(tǒng)上，電池電量通常用以下方法來測量：先測量鋰離子電池的電壓，然后利用存儲在存儲器中的電量查找表，查出可用的電池電量。該方法基于特定鋰離子電池的電壓-電量查找表，但由于3G手機的電源消耗特性很復雜，并且鋰離子電池的性能隨時間、溫度及負載條件而變化，所以這種方法并不可行。為精確測量剩余的電池電量以便讓處理器更好地管理手機的電源消耗，人們采用具有“阻抗跟蹤”能力、可測量進出電池的實際電荷的高性能庫侖計，這將使處理器可有效地運行在電池節(jié)省模式、精確地計算出電池耗盡的時間，并在需要充電的時候向終端用戶發(fā)出警告等。圖2顯示的庫倫計被集成在電池組中，并通過I2C通信接口向主處理器發(fā)送電池參數(shù)。

在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，DC/DC轉(zhuǎn)換器在為LED驅(qū)動與處理器內(nèi)核電源提供高效率的供電解決方案上扮演著越來越重要的角色。為提高數(shù)碼照像與視頻會議的性能，CMOS與CCD傳感器的分辨率在不斷提高。隨著傳感器的分辨率不斷提高，要拍出高質(zhì)量照片就需要更亮的光，這又將需要相機閃光燈更亮的解決方案。當照相手機的分辨率大于100萬像素時，至少需要50勒克斯的亮度才能拍出高質(zhì)量照片。而目前許多手機所能提供的閃光燈亮度都比這低，其閃光燈白光LED的驅(qū)動電流還不到100mA，這種設(shè)計實際上并不能改善照片質(zhì)量。為真正地改善照片質(zhì)量，需要用將近1A的電流驅(qū)動高功率白光LED，而使用電荷泵是難以提供1A的電流，因為此時的電池電流將達到2A，將超出系統(tǒng)為此類功能預留的任何電池功率預算。為解決電池電流過大的問題，圖3給出的高效率DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器，可為相機閃光燈應用的白光LED提供高達700mA的電流。

圖4：小型封裝的高頻3MHzDC/DC轉(zhuǎn)換器。

手機中的幾個子系統(tǒng)可能還需要精確的內(nèi)核電壓。線性穩(wěn)壓器通常被認為是一種用于電壓調(diào)整的小尺寸、低成本解決方案，但當電流大于200mA時，由于電源損耗過高，它們將開始需要既占空間又價格昂貴的散熱片。電源損耗的產(chǎn)生是由于供電時存在較大的輸入-輸出電壓差，此電壓差與輸出電流的乘積便等于電源損耗，例如，從3.6V鋰離子電池上得到1.2V/500mA內(nèi)核電壓。當線性穩(wěn)壓器以33%的效率進行穩(wěn)壓，并消耗大量電池功率、產(chǎn)生大量熱量的時候，DC/DC轉(zhuǎn)換器卻能以高于90%的效率很好地工作，而且只消耗LDO功耗的一小部分。

采用最先進的模擬工藝與設(shè)計技術(shù)的最新一代DC/DC轉(zhuǎn)換器具有幾個可節(jié)省空間的特性。圖4是一種可提供高達500mA內(nèi)核電流的超小型、高精度DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器。因為集成了兩個開關(guān)晶體管，所以該電路僅需一個電感和兩個小電容。獨特的控制架構(gòu)可使電源對負載瞬變做出快速反應，并保持±1(的高電壓調(diào)整精度(這正是如今高性能處理內(nèi)核所要求的)。3MHz的開關(guān)頻率可使電感大小減少至僅為1uH，從而允許使用高度小于1mm的薄型芯片電感。這種器件還提供芯片級封裝，IC尺寸可減小至2×1mm，因此整個解決方案可被構(gòu)建成安裝在5×5mm2大小的空間里。為進一步減少電源消耗，高級DC/DC穩(wěn)壓器還具有自動的脈沖頻率調(diào)制(PFM)/脈寬調(diào)制(PWM)模式轉(zhuǎn)換功能，以盡量提高寬負載范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換效率。在輕負載情況下，轉(zhuǎn)換器工作于PFM模式，而當負載電流大于50mA時，則采用PWM控制，這樣便可以80%至90%的效率提供1.8V/500mA的內(nèi)核電源。

本文小結(jié)

電源與其它模擬器件的集成是不可避免的，其關(guān)鍵在于選擇那些已發(fā)展成為標準并被多種手機平臺采用的功能。推動功能差異化的領(lǐng)先技術(shù)一般首先應用在可進行特性定制的分立元件中，這對消費者及手機系列型號管理非常重要?？傊娫垂芾砥骷^續(xù)在尺寸、效率及電源消耗方面挑戰(zhàn)自身極限，并在減小手機的外形尺寸與重量方面扮演重要角色。