下一代手机中的电源管理分割方案

第三代(3G)手机可提供具有更多功能的各种特性。当消费者享用这些通信设备最新及更好功能的时候，他们还继续要求单个电池的工作时间更长、手机的外形尺寸更小。尽管IC集成可帮助解决尺寸问题，但同时也会增加设计复杂度并限制设计灵活性。当今的手机设计工程师必须考虑多种因素来有效地优化电池使用，以延长电池工作时间。因此，必须结合使用高度集成化的电源管理单元和高性能分立器件来进行电池管理、功率转换以及系统管理。 
 


图1：3G手机的系统组成框图。 
 
两难选择：功能与电池功率 


当设计一款高级无线设备时，设计工程师将面临一个两难选择。一方面，他们需要将许多功能集成到一个通常由电池和显示屏的尺寸、复杂的用户接口和设计工程学所决定的特定外形尺寸中；另一方面，电池的可用能量取决于决定它们能量密度与物理尺寸的化学特征，这些不断变化的参数常常迫使设计工程师要更高效地使用电池功率，以满足消费者对待机时间和工作时间的要求。 


如今的3G多功能手机能支持多个空中接口，不仅提供GSM、WCDMA等多波段调制解调器连接，还可通过蓝牙、无线LAN、红外以及USB接口进行其它连接。数码相机功能已成为许多手机的标准配置，它需要复杂的相机引擎和高发光度的闪光灯来拍摄高质量照片。随着数据传输速度的增加，手机的视频电话功能也有可能实现。此外，高速应用处理器还提供强大的音/视频处理能力，以支持数字电视(DTV)信号和MPEG音频编解码。更新型的手机还将增加FM无线电和数字电视调谐器以增加手机的娱乐价值。数据吞吐量的提高最终将需要高密度的存储容量，这可通过存储器扩展槽，甚至微型硬盘驱动器来实现。不难想象，这些无线设备大部分还将兼有便携式游戏设备的功能。 


作为能量来源的电池在系统中占有重要地位。如今，几乎百分之百的3G手机都采用锂离子电池，这种电池是所有可充电化学电池中能量密度最高的。大多数电池的尺寸大约为50×40×5mm，容量在900mAh至1,200mAh之间。尽管燃料电池技术所能提供的能量密度将大大高于锂离子电池的能量密度，但由于技术与政策上的问题，预计还需数年时间燃料电池才能得到广泛应用。此外，锂离子电池技术有望逐步得到改进，其电池容量可能增加30(。因此，系统工程师基本上还会继续使用可提供大约1,500-1,800mAh容量的锂离子电池。 


这种两难选择最终将驱动数字与模拟半导体技术转向下一个更低的功率节点，并推动超高效电池使用技术的发展。 


集成与布局的问题 


很显然，随着所有功能都被集成到一个尺寸相对较小的设备中，对一组合适的高性能模拟与数字器件进行集成变得非常必要。为强调这种集成的复杂性，图1给出了3G手机的主要系统架构。 



图2：用于精确测量电池电量的电池电量计。
 

但问题是：需要使哪些器件集成并如何解决手机外形尺寸对器件布局的影响？一个显而易见的答案就是集成为基带处理器、音频子系统及接口器件供电的标准电源，这些标准电源为不同的手机平台和使用同样基本芯片组的手机供应商所采用。但这存在两个固有的重大挑战。 


首先，工业设计上的考虑将允许根据所需功能和人类工程学、以多种不同方式设计手机。现在，电气设计需要考虑到手机可能被设计成棒状、蛤壳状或滑动式手机造型，它们都是采用不同的显示屏、键盘和扬声器配置。这些设计差异对如何放置显示背光、相机模块及其它子系统都有很大影响，而且在某种程度上还会限制这些元件的集成。有时候，电源或音频功能的“一体化”集成可能意味着更长的走线、复杂的电路板布局或由噪声带来的电气设计挑战。 


其次，手机制造商需要对手机型号系列进行富有成本效益的管理。为了用不同的手机型号满足市场需求，手机制造商必须提供特性和性能水平不同的产品，而这些产品的价格也都不一样。要想在竞争激烈的市场中获得最高利润，这些手机的成本必须随功能而改变，而这将无法把每种功能都集成到一个大IC上。如果某个特性不是给定的手机型号所想要的，那么应从电路板上卸下这个特定功能及其电源，以减少成本。 


此外，采用相同基本芯片组的手机制造商还需要使其产品有别于竞争对手的产品，这也促使不对各种主要特性进行集成以保持产品的差异化。产品差异化的典型例子可能包括(但不限于)：更亮的相机闪光灯、更强大的喷灯模式、D类立体声音频性能、特殊显示屏与键盘背光效果、MP3音频播放功能、FM无线电以及精确的电池电量计量等。 


分立电源器件的选择 


如图1所示，为不同子元件供电的典型非集成电源器件，可能是作为手机电池组一部分的电池电量计、效率高但体积小的高频DC/DC内核电源、驱动相机闪光灯白光LED的高性能DC/DC升压驱动器、带OLED电源的白光LED背光驱动器、次显示屏以及具有超低电源抑制比(PSRR)的线性稳压器等。在进行大部分集成时，首先要集成消费者喜欢的一些已有特性，而具有更高性能和效率的领先模拟半导体技术，包括经过优化的分立电源管理器件等，将随付运量的增加及功能的标准化而逐渐被越来越多地集成。 



图3：驱动高亮度相机闪光灯LED的高效率升压DC/DC转换器。


为进一步优化电源管理并尽量延长电池工作时间，必须考虑以下三个重要方面的问题。首先，电池管理必须能处理电池充电及电量测量。其次，电源转换必须尽可能高效地将电池功率转换为系统元件可用的功率。第三，用于分析处理器的实际电源消耗并控制多个电源的系统电源管理，必须对电池的使用进行优化。前两个问题可通过选择合适的电源管理器件来专门解决，而第三个问题则与主要处理软件的开发有关。 


在电池管理中，电池“电量计”正变得日益流行。传统上，电池电量通常用以下方法来测量：先测量锂离子电池的电压，然后利用存储在存储器中的电量查找表，查出可用的电池电量。该方法基于特定锂离子电池的电压-电量查找表，但由于3G手机的电源消耗特性很复杂，并且锂离子电池的性能随时间、温度及负载条件而变化，所以这种方法并不可行。为精确测量剩余的电池电量以便让处理器更好地管理手机的电源消耗，人们采用具有“阻抗跟踪”能力、可测量进出电池的实际电荷的高性能库仑计，这将使处理器可有效地运行在电池节省模式、精确地计算出电池耗尽的时间，并在需要充电的时候向终端用户发出警告等。图2显示的库伦计被集成在电池组中，并通过I2C通信接口向主处理器发送电池参数。 


在电源转换领域，DC/DC转换器在为LED驱动与处理器内核电源提供高效率的供电解决方案上扮演着越来越重要的角色。为提高数码照像与视频会议的性能，CMOS与CCD传感器的分辨率在不断提高。随着传感器的分辨率不断提高，要拍出高质量照片就需要更亮的光，这又将需要相机闪光灯更亮的解决方案。当照相手机的分辨率大于100万像素时，至少需要50勒克斯的亮度才能拍出高质量照片。而目前许多手机所能提供的闪光灯亮度都比这低，其闪光灯白光LED的驱动电流还不到100mA，这种设计实际上并不能改善照片质量。为真正地改善照片质量，需要用将近1A的电流驱动高功率白光LED，而使用电荷泵是难以提供1A的电流，因为此时的电池电流将达到2A，将超出系统为此类功能预留的任何电池功率预算。为解决电池电流过大的问题，图3给出的高效率DC/DC升压转换器，可为相机闪光灯应用的白光LED提供高达700mA的电流。 



图4：小型封装的高频3MHz DC/DC转换器。


手机中的几个子系统可能还需要精确的内核电压。线性稳压器通常被认为是一种用于电压调整的小尺寸、低成本解决方案，但当电流大于200mA时，由于电源损耗过高，它们将开始需要既占空间又价格昂贵的散热片。电源损耗的产生是由于供电时存在较大的输入-输出电压差，此电压差与输出电流的乘积便等于电源损耗，例如，从3.6V锂离子电池上得到1.2V/500mA内核电压。当线性稳压器以33%的效率进行稳压，并消耗大量电池功率、产生大量热量的时候，DC/DC转换器却能以高于90%的效率很好地工作，而且只消耗LDO功耗的一小部分。 


采用最先进的模拟工艺与设计技术的最新一代DC/DC转换器具有几个可节省空间的特性。图4是一种可提供高达500mA内核电流的超小型、高精度DC/DC降压转换器。因为集成了两个开关晶体管，所以该电路仅需一个电感和两个小电容。独特的控制架构可使电源对负载瞬变做出快速反应，并保持±1(的高电压调整精度(这正是如今高性能处理内核所要求的)。3MHz的开关频率可使电感大小减少至仅为1uH，从而允许使用高度小于1mm的薄型芯片电感。这种器件还提供芯片级封装，IC尺寸可减小至2×1mm，因此整个解决方案可被构建成安装在5×5mm2大小的空间里。为进一步减少电源消耗，高级DC/DC稳压器还具有自动的脉冲频率调制(PFM)/脉宽调制(PWM)模式转换功能，以尽量提高宽负载范围内的转换效率。在轻负载情况下，转换器工作于PFM模式，而当负载电流大于50mA时，则采用PWM控制，这样便可以80%至90%的效率提供1.8V/500mA的内核电源。 


本文小结 


电源与其它模拟器件的集成是不可避免的，其关键在于选择那些已发展成为标准并被多种手机平台采用的功能。推动功能差异化的领先技术一般首先应用在可进行特性定制的分立元件中，这对消费者及手机系列型号管理非常重要。总之，电源管理器件正继续在尺寸、效率及电源消耗方面挑战自身极限，并在减小手机的外形尺寸与重量方面扮演重要角色。