多媒體手機的電源管理分析

手機電視、手機游戲以及音頻播放等多媒體應用向手機中的電源管理設計提出了巨大的挑戰(zhàn)。手機設計人員需要在加入新的多媒體功能的同時，保持手機小巧的外形并維持電池的長壽命。新應用處理器提供了出色的新功能，但代價是功耗更高。新的AV功能意味著音樂回放時間更長，由此音頻放大的效率必需更高，從而延長回放時間。而且，當手機上的AV功能變得更成熟時，音頻質量和輸出功率的要求也會更高。在本文中，我們討論了一些解決方案，可以幫助設計人員應對這些與新型多媒體手機電源和音頻放大有關的挑戰(zhàn)。 


新應用處理器的電源 

為了使手機外形小巧，使用集成電源管理單元(PMU)是非常普遍的。PMU的優(yōu)點是簡化了電源設計，而且與使用幾個分立元件電源解決方案相比，減小了解決方案的總體尺寸。但是，相反的是，多媒體功能的快速發(fā)展增加了獨立穩(wěn)壓器的使用。由于新應用處理器增加了多媒體特性，所以現(xiàn)有的PMU不足以滿足其日益提高的電源要求。另一方面，手機開發(fā)的時間越來越短，使設計人員不能等待PMU的升級。因此，獨立穩(wěn)壓器被用于提供新手機所需的額外系統(tǒng)功率。 

除了考慮解決方案的成本因素外，選擇獨立穩(wěn)壓器最重要的三個標準是(不同設計的優(yōu)先考慮因素不同)：1. 低噪聲：穩(wěn)壓不能產(chǎn)生干擾周圍射頻系統(tǒng)的噪聲或EMI。2. 功耗低：這意味著完全工作時效率高，且在輕載和待機狀態(tài)下電流小。3. 解決方案尺寸小(大小和高度)：穩(wěn)壓器必需在一個高度低的封裝內(nèi)，而且外部無源元件也要細小。 

同步步降轉換器的功耗 

新處理器的理想穩(wěn)壓器是DC/DC步降轉換器，其電源效率高(超過90%)，因此對板的散熱也較小。圖1顯示了集成了MPEG-4編解碼器的手機平臺系統(tǒng)框圖。同步步降轉換器NCP1521用于提供芯片組的芯核電壓和I/O電路的電源電壓。內(nèi)置同步整流器后，此降壓轉換器不需要外部肖特基二極管，它提供了優(yōu)異的效率，完全工作時效率范圍在90%到96%之間。它提供的可調電壓在0.9V和3.3V之間，輸出電流高達600mA。 
 


  
在手機中，當微處理器長期處于待機狀態(tài)，轉換器進入輕載區(qū)域，效率將降到90%以下。為了降低長期待機時的功耗，NCP1521提供了一種解決方案，可以自動從高頻PWM轉換到脈沖頻率模式(PFM)，其開關頻率與負載成正比，因此在輕載情況下產(chǎn)生的功耗較小。  

尺寸小的解決方案  

為了減小解決方案總體尺寸，新的降壓轉換器使用的開關頻率在1MHz和2MHz之間。為了展示開關頻率的效果，我們采用市場上的1MHz步降轉換器，它使用優(yōu)化的L-C濾波器值：L=10uH，Cout=10uF。對開關頻率為1.5MHz的NCP1521，它要求的輸出濾波器為：L=2.2uH，Cout=10uF。同樣地，振蕩頻率為3MHz的NCP1522，優(yōu)化的L-C濾波器值是L=2.2uH，Cout=4.7uF。結果總結如表所示。 
 

  表1：L-C濾波器值與轉換器開關頻率的比較

這一比較表明，開關頻率越高，所需的電感和輸出電容越小，因此解決方案的總體尺寸也越小。在PCB空間高度受限的多媒體手機設計中，建議采用開關頻率較高的NCP1522，以減小解決方案尺寸，并降低無源元件的成本。 

引腳尺寸為3x3的SOT23-5是目前同步步降轉換器的業(yè)內(nèi)標準封裝。但市場上有更小的封裝選擇(如芯片級和DFN封裝)，以滿足設計人員進一步降低解決方案尺寸的需求。 

進一步的集成：降壓和LDO集成在一個封裝中 

從上述內(nèi)容中，我們已經(jīng)看到，芯核電壓低、功率需求高的新應用處理器最好使用DC-DC降壓轉換器供電。另一方面，輸入電壓高達2.8V到3.3V的射頻敏感的模擬電路大多數(shù)依然由低噪聲LDO供電。帶降壓轉換器和低噪聲LDO的集成功率集成電路(NCP1526)，為作為歐洲市場數(shù)字電視標準的DVB-H或具DMB啟動的手機提供了靈活緊湊的解決方案。 

多媒體手機中的音頻回放挑戰(zhàn) 

便攜式多媒體功能向手機中的音頻放大提出了兩大挑戰(zhàn)。首先，多媒體手機需要持續(xù)2小時以上的音樂和視頻回放；其次，手機上的音頻體驗將接近家庭音像系統(tǒng)。手機音頻回放可以得到清晰、立體和帶重低音的強大音頻。 

目前主流的手機揚聲器由AB類音頻放大器驅動。當MP3成為流行應用，且回放時間從幾分鐘增加到幾小時以后，效率低和散熱差的AB類放大器再也不能符合要求。因此越來越多的新設計采用了D類音頻放大器。

中等價錢手機的音頻放大功耗一般低于100mW。最大輸出功率可達500mW。如圖2所示，我們可以比較一個典型的AB類和一個D類音頻放大器NCP2820。在50mW時，NCP2820的效率為80%，而AB類僅為20%。對于100mW和500mW之間更高的功率工作范圍，D類依然提供穩(wěn)定的85%到90%的效率，但是AB類依然很低，位于30%和60%之間。這清楚地表明，D類放大器的出色效率，有助于延長音頻回放時間。 
 
   
                       圖2：AB類和D類音頻放大器(NCP2820)的效率

由于效率低且散熱高，AB類放大器不能無飽和或無失真地提供高于1W的輸出功率。而D類放大器在開關狀態(tài)下工作，所以它放大音頻信號的效率高，因此可以提供更大的輸出功率，以支持大容量音頻回放。 

對于NCP2820，它能夠為一個8歐姆揚聲器提供最高為1.4W的功率，而將THD+N依然保持低于1%。由于揚聲器輸出響應對低頻信號進行衰減，所以額外的功率有助于提升低音聲音——這在音樂和游戲音頻回放中是重要的。 

對于立體聲4歐姆揚聲器這種在MP3播放器中常見的附件，輸入電壓為5V的NCP2820最高可以為每個通道提供2.56W。在這種情況下，建議用5V至5.5V的恒定電壓為放大器供電，以確保恒定的大輸出功率。DC/DC升壓轉換器NCP1422提供5V的恒定電壓，為立體聲應用中的2個D類放大器供電。 

D類放大器設計中的EMI考慮因素

在恒頻PWM開關狀態(tài)下工作的D類放大器可能產(chǎn)生對同一板上射頻工作有干擾的EMI。兩項關鍵技術有助防止EMI干擾射頻系統(tǒng)。首先，D類放大器應該放置在非常接近揚聲器的地方。在立體聲應用中，建議采用2個單聲道放大器，使設計人員可以將2個放大器放在手機兩端的2個揚聲器旁邊。除此以外，設計人員也應該在放大器的輸出部位連接一個EMI濾波器，如鐵氧體磁珠。EMI濾波器作為帶通濾波器，可以在開關信號沿著導線傳播到射頻電路之前將其消除。