多媒體智能手機的電源管理設(shè)計

手機功能整合愈來愈多，然電池容量的增長，卻始終未能跟上功能變化腳步，如何在有限容量下，提高手機的使用時間，良好的電源管理與提升工藝技術(shù)，都是減少手機功耗的有效作法。  

傳統(tǒng)只用來應(yīng)付通訊功能的手機，已無法滿足消費者的應(yīng)用需求，MP3功能手機成為必要配備，而多種多媒體功能設(shè)計，都成為3G手機時代下，業(yè)者標(biāo)榜功能訴求。

具照相攝影功能的手機，需要有復(fù)雜的相機引擎與高亮度閃光燈；而隨著無線通訊頻寬增加，應(yīng)用高速處理器，可提供執(zhí)行Bluetooth無線傳輸、衛(wèi)星定位、手機上網(wǎng)、數(shù)字電視、語音訊號編/譯碼…等音視訊處理能力。

然功能要求愈來愈多的結(jié)果，手機電池的負荷勢必更為沉重，手機內(nèi)部用電設(shè)計，也變得更為繁復(fù)，因此需要更適合的省電技術(shù)，以因應(yīng)手機中各種功能需求。顯然，如何將大量的功能整合在1個小空間內(nèi)，整合恰當(dāng)?shù)母咝阅苣M與數(shù)字組件是最根本的作法。

再者，現(xiàn)階段在無法提升手機電池容量情況下，有效壓低數(shù)字訊號處理器的功耗變得更為重要，除透過進步的工藝技術(shù)降低數(shù)字訊號處理器驅(qū)動電壓外，良好的電源管理，成為節(jié)省手機功耗的不二法則，才能設(shè)計出符合消費者對手機長時間使用的需求。



圖 多媒體手機，除通訊功能外，各種影音、視訊、無線傳輸能力，已成為手機配備功能，但也同時增加電池功耗，因此需要更多電源管理技術(shù)，增加手機使用時間

顯示屏幕及射頻區(qū)塊 耗電居前兩名

一般手機使用時，約有超過90%的時間處于待機狀態(tài)，但屏幕上仍然要顯示日期、時間、電池電量、收訊狀態(tài)，而此時待機模式的耗電，需要整個屏幕來支持顯示，因此顯示器部分成為手機耗電一大問題。

目前手機上大多是使用TFT LCD作為顯示器，LCD屬于被動顯示，需有背光源才能發(fā)揮顯示效果。背光源設(shè)計，除開關(guān)On/Off外，還須有調(diào)節(jié)驅(qū)動電流來改變LED的亮度，調(diào)整亮度的方法可借控制正向電流，來減少顯示器功耗，主要方法有2種，1種是利用固定電流來驅(qū)動LED，固定電流可消除正向電壓變化導(dǎo)致的電流變化，可以固定LED亮度；另外1種方法是利用1個電壓電源和1個整流電阻器，來確定產(chǎn)生預(yù)期正向電流所需要向LED提供的電壓。

除了屏幕是電源功耗一大殺手外，另外1個功耗來源，就是射頻區(qū)塊部分。當(dāng)中以射頻零組件中的功率放大器消耗功率為最大，強調(diào)更好輸出效率的放大器電路已愈來愈受重視，同時其功耗也逐漸獲得大幅改善。

新一代的移動電話開始采用更低的電池電壓同時，射頻功率放大器就必須改變設(shè)計方向，目前HBT射頻功率放大器技術(shù)，必須適用于3.0伏特以上電壓，而用于低電壓直流電源上取得高線性射頻功率輸出，就必須仰賴E-pHEMT技術(shù)，如此能為手機制造商提供更好的功率加效率(PAE)、低壓操作和高可靠性…等獨特優(yōu)勢相對于HBT，E-pHEMT技術(shù)，具備高電壓下較佳效率，在低偏壓下更具吸引力。由于E-pHEMT組件，可在低于2伏特的低偏壓條件下，維持良好的線性與增益表現(xiàn)，可以避免付出降/升壓轉(zhuǎn)換器的成本與功率耗損，也能在不加入不必要組件的條件下，提高電池效率并延長手機通話時間。



圖 美國國家半導(dǎo)體0.4mm厚的超薄集成電路封裝技術(shù)，適用于更輕薄短小的移動電話、顯示器、MP3播放器、PDA及其它可攜式電子產(chǎn)品。 [!--empirenews.page--]

壓差線性穩(wěn)壓器LDO減少音頻功耗

手機各種音訊功能，如MP3播放、多和弦鈴聲和FM廣播…等功能，都會增加手機功耗。因此如何讓音訊電路最佳化達到低功耗設(shè)計，成為延長電池時間的重要問題。

而改善音訊耗電能方法，手機音訊組件多要求具備較好的噪聲抑制、低工作電壓、高功效性能。目前一般最常見采用壓差線性穩(wěn)壓器(Low Dropout regulator；LDO)來抑制噪聲(PSRR)。線性調(diào)壓是最常見且最易應(yīng)用的電壓調(diào)整方式，其優(yōu)點是封裝體積小、外部組件少，利于電路面積有限的手持裝置設(shè)計。

LDO是電路板設(shè)計上常見的直流轉(zhuǎn)換組件，LDO都是高電壓轉(zhuǎn)低電壓工，作原理是類似像分壓原理，其腳位少、可以過濾電源噪聲。但LDO雖然是低轉(zhuǎn)換電壓，功耗相當(dāng)?shù)?，但仍有部分電力耗損，如果音頻放大器能夠提高到超過60dB，就不需要應(yīng)用上LDO，可以降低音頻電路功耗。



圖 奧地利微電子推出200mA微型超低壓降穩(wěn)壓器AS1369，僅占1mm2 PCB空間，適合移動電話與PDA…等空間有限裝置。AS1369 LDO可實現(xiàn)性能提升，延長電池壽命。

DC/DC電源轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品 可減少LDO需求

在電源管理IC選擇中，終端市場對產(chǎn)品尺寸及電源轉(zhuǎn)換效率要求日益嚴苛，因此屬于低成本但效率較差的LDO線性穩(wěn)壓器，漸受到電源轉(zhuǎn)換效率較好，但設(shè)計和成本門坎較高的交換式穩(wěn)壓器(Switching Regulator)威脅，例如直流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器(DC/DC Converter)市場的沖擊與威脅，造成LDO量縮，甚至因此導(dǎo)致價格下跌，價格競爭壓力，讓不少電源IC業(yè)者轉(zhuǎn)投入DC/DC電源產(chǎn)品研發(fā)。

高頻率的DC/DC轉(zhuǎn)換器，可讓系統(tǒng)周邊僅須搭配很小的電感或電容即可，進而縮減電路板面積，當(dāng)手機與數(shù)字相機(DSC)朝輕薄設(shè)計發(fā)展，勢必要減少系統(tǒng)對于單顆LDO需求。因此，使用單組LDO的機率就愈低，不少廠商都轉(zhuǎn)向投入DC/DC轉(zhuǎn)換器研發(fā)，包括以經(jīng)營LDO為主的安茂微電子，也正全力投入DC/DC轉(zhuǎn)換器開發(fā)。

整合電源管理芯片趨勢

1.低階手機基頻芯片整合PMU  

PMU主要是用于解決手機內(nèi)部電源管理問題，發(fā)展PMU的主要目標(biāo)，即是為手機做有效節(jié)電，以避免效率轉(zhuǎn)換損失。目前低階手機芯片的核心主軸基頻芯片，已朝整合PMU電源管理模式發(fā)展，由于基頻芯片整合PMU可節(jié)省手機空間，PMU可具不占空間以及高整合性優(yōu)勢，讓廠商致力于發(fā)展基頻芯片整合PMU方案。

2.高階手機應(yīng)用處理器整合PMU  

而高階手機部分，如3G智能型手機配備多媒體影像、無線傳輸功能設(shè)計，其應(yīng)用處理器耗電量更大，因此就必須發(fā)展專用、整合型PMU，以降低應(yīng)用處理器耗電量。例如，意法半導(dǎo)體就整合了USB OTG高速(High Speed)與音訊編/譯碼(Audio Codec)，因應(yīng)智能型手機對音訊的精致度要求，讓手機具快速數(shù)據(jù)傳輸功能。而美國國家半導(dǎo)體，也針對LED發(fā)展出高整合度照明管理單元(Lighting Management Unit；LMU)可解決LED耗電速度快的問題。

另外，電源管理芯片朝客制化發(fā)展，將成為未來趨勢，為提高PMU使用彈性、擴大應(yīng)用空間，針對某類型市場或處理器平臺，開發(fā)出客制化規(guī)格，才能創(chuàng)造出業(yè)者的市場競爭力。例如德州儀器針對三星的應(yīng)用處理器，便推出了專屬PMU解決方案，希望通過提供客制化的PMU產(chǎn)品服務(wù)，積極開發(fā)類型(Catalog)PMU，提高產(chǎn)品市占率。

而意法半導(dǎo)體量產(chǎn)的整合型PMU，則是采模塊化策略，盡可能整合高階手機必要功能，如客戶有提出某項功能不合適，只需將該功能關(guān)閉繼續(xù)保留其它功能，滿足不同客戶對手機定位的要求。



圖 美國國家半導(dǎo)體高整合度燈光管理單元(LMU)，內(nèi)建高電壓升壓轉(zhuǎn)換器及可程序恒流驅(qū)動器，可以控制顯示器背光系統(tǒng)內(nèi)高達20個串聯(lián)發(fā)光二極管，以及驅(qū)動設(shè)于小鍵盤和相機閃光燈內(nèi)的發(fā)光二極管與紅綠藍 (RGB)光發(fā)光二極管。 [!--empirenews.page--]

分離式電源芯片 設(shè)計彈性佳

由于整合性電源管理芯片，仍有功能設(shè)計限制及彈性不佳缺點，無法為市面上所有手機附加功能全部整合在內(nèi)，一旦選擇整合型PMU，如果設(shè)計生產(chǎn)過程出現(xiàn)瑕疵問題，則會影響到后續(xù)的作業(yè)程序；而分離式電源芯片有更多彈性設(shè)計，在規(guī)格上都能達到兼容，在功能性、設(shè)計方案可以有更多選擇性，可避免單一芯片商可能影響設(shè)計、生產(chǎn)…等問題。

整合性電源管理芯片種種設(shè)計限制，凸顯分離式電源芯片有更大彈性及變化優(yōu)勢，特瑞仕半導(dǎo)體發(fā)展的多芯片封裝(MCM)模式，就屬于分離式電源芯片1種，其能針對有些微差異功能的手機，進行電源管理設(shè)計與功能變更，而整合型電源管理芯片，只能專用于某型號的手機中。

多芯片封裝(MCM)模式與LDO、DC/DC轉(zhuǎn)換器…等分離式電源管理芯片，其設(shè)計彈性大，使其能與整合型PMU市場地位并駕齊驅(qū)，而不少業(yè)者也紛紛提出類型化、模塊化芯片設(shè)計，分離式電源管理芯片可就單一功能進行技術(shù)研發(fā)，因應(yīng)未來手機快速汰舊換新、求新求變的產(chǎn)業(yè)趨勢中，才能符合手機業(yè)者的客制化需求。

在提出分離式電源管理芯片業(yè)者中，美國國家半導(dǎo)體的移動像素鏈接(Mobile Pixel Link；MPL)實體層技術(shù)，針對影像顯示畫素造成的耗電進行管理，以進一步解決電源供應(yīng)、噪聲、及穩(wěn)定性問題，該技術(shù)主要應(yīng)用于小型顯示器及數(shù)字相機。MPL能將RGB數(shù)據(jù)影像從原本24位傳送，轉(zhuǎn)換成18位數(shù)據(jù)進行傳送，影像訊號傳輸路徑變大，影像也較清晰，還可達到省電效果。

電池容量管理 增加使用效率

電池轉(zhuǎn)換技術(shù)不斷精進，然而電池容量卻仍趕不上手機廠商需求，與消費者對手機使用時間的滿足。雖然近年來，為提高手機電池使用時間，業(yè)者開始專注更多高能量電池開發(fā)，但對鋰離子電池的逐步改進預(yù)期，也僅能小幅增加2"3成電池容量。

電池容量短期內(nèi)不會有突破性發(fā)展，就必須靠妥善管理電池容量，讓電池可以提供更長的使用時間，而適當(dāng)?shù)碾姵毓芾砭惋@得格外重要。例如對電池的偵測、充電控制、電池保護…等，都可有效管控電池容量狀況。透過電池偵測組件，可以檢視電池剩余電力，用簡單的電荷計量器，由中央處理器負責(zé)計算剩余電力，或是通過微控制器的量測組件，提供剩余供電時間、剩余電力、電池電壓、溫度、電流量…等數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，可讓使用者更有效掌握電池供電現(xiàn)況。



圖說：德儀電池電量監(jiān)測芯片，可測量電池放電率、溫度、老化程度，及其它因素對電池阻抗的影響，量測電池使用壽命的準(zhǔn)確率高達99%。