用于下一代移動(dòng)電話的電源管理劃分
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兩難選擇：功能與電池功率
在設(shè)計(jì)一種高級(jí)無線設(shè)備時(shí)，工程師面臨一個(gè)基本的兩難選擇。他們需要將大量功能集成到一個(gè)通常由電池與顯示屏尺寸、以及用戶接口復(fù)雜性與設(shè)計(jì)工效學(xué)所決定的給定外形系數(shù)中。此外，電池的可用能量由決定其能量密度與物理尺寸的化學(xué)特征決定。這些不斷變化的參數(shù)通常會(huì)迫使設(shè)計(jì)人員更有效地利用電池功率管理技術(shù)來滿足消費(fèi)者所期望的設(shè)備待機(jī)與工作時(shí)間。
今天的3G多功能手機(jī)支持好幾個(gè)空中接口，并能提供諸如GSM" target="_blank">GSM 及WCDMA" target="_blank">WCDMA等多波段modem連接。亦可通過藍(lán)牙、無線LAN、紅外及USB" target="_blank">USB接口來進(jìn)行其它連接。數(shù)碼相機(jī)已成為許多手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，它需要有成熟的相機(jī)引擎及高發(fā)光度閃光燈來拍攝高質(zhì)量照片。以更高的數(shù)據(jù)傳輸速度，還可實(shí)現(xiàn)視頻電話功能。此外，高速應(yīng)用處理器還能提供音/視頻處理能力來執(zhí)行數(shù)字電視 ( DTV) 信號(hào)與MPEG音頻編解碼。更新款的手機(jī)還計(jì)劃增加調(diào)頻收音機(jī)和數(shù)字電視調(diào)諧器來提高手機(jī)的娛樂價(jià)值。更高的數(shù)據(jù)吞吐量最終要求有高密度的存儲(chǔ)能力，這可通過存儲(chǔ)器擴(kuò)展槽或（甚至）微型硬盤驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)。不難想象，這些無線手機(jī)還兼具有手持式游戲設(shè)備的功能。
作為能量來源的電池在系統(tǒng)中占據(jù)中心位置。今天，幾乎百分之百的3G手機(jī)都采用鋰離子電池，因?yàn)樗且环N可提供最高能量密度的可充電化學(xué)電池。從尺寸角度看，大多數(shù)電池都具有大約50 x 40 x 5 mm的尺寸，并能提供900 - 1200 mAh的容量。盡管燃料電池技術(shù)允諾將來能提供比鋰離子電池更高的能量密度，但由于技術(shù)與規(guī)章管制問題，其廣泛使用估計(jì)還需數(shù)年的時(shí)間。此外，預(yù)計(jì)鋰離子電池技術(shù)的逐步改進(jìn)也會(huì)使其容量增加30%。因此，系統(tǒng)工程師目前基本上還會(huì)繼續(xù)使用可提供大約1500 -1800 mAh的鋰離子電池。
這種兩難選擇最終會(huì)迫使數(shù)字與模擬半導(dǎo)體技術(shù)轉(zhuǎn)向下一個(gè)低功率節(jié)點(diǎn)，并推動(dòng)超高效電池使用技術(shù)的發(fā)展。
集成與布局問題
顯然，隨著將所有功能都整合到一個(gè)尺寸相對(duì)較小的外殼中，需要對(duì)一組高性能模擬與數(shù)字器件進(jìn)行集成。為突出復(fù)雜性，圖1給出了3G手機(jī)的主要系統(tǒng)架構(gòu)。
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圖1：3G手機(jī)的系統(tǒng)組成框圖 |
圖字（上下、左右）：電源管理、處理單元、PA與WCDMA收發(fā)器、PA與GSM收發(fā)器、調(diào)頻接收器、藍(lán)牙處理器、高PSRR LDO、相機(jī)傳感器、相機(jī)閃光燈、相機(jī)引擎、升壓DC/DC、3MHz降壓DC/DC、振動(dòng)器－麥克風(fēng)－耳機(jī)－耳承－SIM卡、模擬基帶處理器、基帶電源 /音頻編解碼器與驅(qū)動(dòng)器、數(shù)字基帶處理器、應(yīng)用處理器、存儲(chǔ)器、音頻綜合器、高PSRR LDO、鍵盤、顯示屏1、顯示屏1、3MHz降壓DC/DC、白LED驅(qū)動(dòng)器、白LED驅(qū)動(dòng)器、電池容量計(jì)、鋰離子電池。
但問題是："哪些器件需要集成，又如何來解決手機(jī)外形系數(shù)對(duì)器件安放位置的影響這一問題？"答案就是集成用于基帶處理器、音頻子系統(tǒng)及接口器件的標(biāo)準(zhǔn)電源，因?yàn)椴煌謾C(jī)平臺(tái)均采用類似的子系統(tǒng)與器件，而手機(jī)電源也采用同樣的基本芯片組。但也存在如下兩個(gè)內(nèi)在的主要問題。首先，工業(yè)設(shè)計(jì)考慮允許根據(jù)所需功能及人機(jī)工程學(xué)來以各種不同方式設(shè)計(jì)手機(jī)。今天，電設(shè)計(jì)需要考慮能否將手機(jī)設(shè)計(jì)成塊糖、蚌殼或滑動(dòng)形狀，且全都采用不同的顯示屏、鍵盤與揚(yáng)聲器配置。這些設(shè)計(jì)差別對(duì)手機(jī)顯示屏、相機(jī)模塊及其他子系統(tǒng)的安放位置都有很大的影響，且在某種程度上會(huì)限制這些器件的集成。在某些情況下，電源或音頻功能的"一體化"集成可能意味著更長的走線、復(fù)雜的印制板布局、或由噪聲帶來的電設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。其次，人們還不應(yīng)忘記手機(jī)廠商所要求的對(duì)手機(jī)型號(hào)系列的經(jīng)濟(jì)高效管理。為以不同手機(jī)型號(hào)來滿足市場需求，手機(jī)制造商必須以不同成本來提供各種特性與性能水平。為在競爭激烈的市場中獲得最高利潤，這些型號(hào)的成本必須隨功能而改變，而這反過來又會(huì)限制將每一種功能都集成到一片大型IC上。如果特性不是給定型號(hào)系列所需要的，則應(yīng)將某些特定功能及其電源從板上卸下以減少成本。
此外，采用相同基本芯片組的手機(jī)廠商還需要使其產(chǎn)品有別于其他競爭對(duì)手的產(chǎn)品，這反過來又推動(dòng)對(duì)各種不同特性的再集成。一種典型的產(chǎn)品差異化例子可能包括（但不限于）更亮的相機(jī)閃光燈、功能更強(qiáng)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、調(diào)頻廣播接收與精確電池容量計(jì)量等。
分立電源器件選擇
如圖1所示，為差異化子器件供電的典型非集成電源器件，可能是作為手機(jī)電池盒一部分的電池容量計(jì)、高效率但小體積的高頻DC/DC內(nèi)核電源、用于相機(jī)白閃光燈LED的高性能DC/DC升壓驅(qū)動(dòng)器、帶有機(jī)LED電源的白LED背光驅(qū)動(dòng)器、次顯示屏以及具有超低電源抑制比 (PSRR) 的線性調(diào)整器等。在進(jìn)行集成時(shí)，首先集成消費(fèi)者熟悉的一些已知特性。擁有更高性能及效率的領(lǐng)先模擬半導(dǎo)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(yùn)量的增加及功能標(biāo)準(zhǔn)化而被越來越多地集成。為進(jìn)一步優(yōu)化電源管理并延長電池工作時(shí)間，必須考慮以下三個(gè)方面的問題。首先，電池管理必須能處理電池充電及容量測量。其次，電源轉(zhuǎn)換必須能盡可能有效地將電池功率轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)可用電源。第三，用于分析處理器實(shí)際功耗并控制電源的系統(tǒng)電源管理必須能優(yōu)化電池功率的使用效率。第一與第二個(gè)方面可通過選擇合適的電源管理器件來實(shí)現(xiàn)，而第三個(gè)方面則與處理一側(cè)的主要軟件開發(fā)有關(guān)。
在電池管理中，電池"容量計(jì)"正變得日益流行。在傳統(tǒng)上，通常用以下方法來測量電池容量，即：先測量鋰離子電池的電壓，然后再用存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中的容量查找表來得出有關(guān)可用電池功率的結(jié)果。但由于3G手機(jī)復(fù)雜的功耗特性及鋰離子電池性能隨時(shí)間、溫度及負(fù)載條件的變化，上述方法并不實(shí)用。為精確測量剩余電池容量以使處理器能更好地管理手機(jī)功耗，人們采用了具有"阻抗跟蹤"能力、并能測量進(jìn)出電池實(shí)際電量的高性能庫侖計(jì)。這使處理器能有效地部署電池節(jié)省模式、精確確定電池耗盡時(shí)間以及當(dāng)需要充電時(shí)向終端用戶告警等。圖2即顯示一種集成在電池盒中、并通過I2C通信接口向主處理器發(fā)送參數(shù)的庫倫計(jì)。
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圖2：用于精確電池容量測量的電池容量計(jì) |
而在電源轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，DC/DC轉(zhuǎn)換器在提供用于LED驅(qū)動(dòng)與處理器內(nèi)核電源的高效率解決方案方面正扮演著越來越重要的角色。為提高數(shù)碼相機(jī)與視頻會(huì)議的性能，CMOS與CCD傳感器的分辨率在不斷提高。簡單物理學(xué)原理表明，以不斷提高的傳感器分辨率，需要有更高的光亮才能拍攝高質(zhì)量照片，這反過來又要求擁有更亮相機(jī)閃光燈能力的解決方案。今天許多手機(jī)相機(jī)閃光燈所提供的亮度比采用以小于100 mA的電流來驅(qū)動(dòng)白LED 的"玩具閃光燈"所提供的亮度低很多。這種設(shè)計(jì)實(shí)際上完全不能提高拍攝照片的質(zhì)量。為真正使產(chǎn)品具有差異性，需要以接近1A的電流來驅(qū)動(dòng)高功率白LED 燈。而1A則是
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