下一代手機電源管理面臨的挑戰(zhàn)與設(shè)計趨勢

未來的手機會集成更多需要耗電的功能或特性，如何延長電池使用壽命成為一項重大課題。結(jié)合中國手機產(chǎn)品的研發(fā)趨勢，本文將從射頻、基帶、背光、音頻放大、充電器等方面探討下一代手機電源管理面臨的挑戰(zhàn)與相應(yīng)的新技術(shù)和解決方案，并提供了一些降低電路功耗及噪聲的設(shè)計思路。

近兩年中國手機市場的兩大特點是：由于終端用戶市場還看不到對3G應(yīng)用的迫切需求，3G商業(yè)化部署和運行前景仍不明朗；手機更新?lián)Q代首次成為這一市場的主要增長動力，新的用戶增長已經(jīng)減緩，電信服務(wù)運營商需要為現(xiàn)有用戶提供更多的新服務(wù)來增加營收和擴大市場份額，如短信、電子郵件、彩屏顯示、網(wǎng)上沖浪、多和弦鈴聲、音樂、游戲、影像、新聞和體育快訊等。這么多功能的集成對手機的電源設(shè)計和管理提出了極大的挑戰(zhàn)，這主要是因為多功能帶來的高功耗大幅降低了鋰電池的工作壽命，如使用手機進行網(wǎng)上沖浪時很可能一二個小時手機就沒電了，而電池工作時間又是最終用戶最關(guān)注的指標之一。

在目前新的高能電池技術(shù)(如燃料電池)仍不成熟的情況下，下一代手機的電源管理便只能從提高電源利用率和降低功耗這二個方面著手。原則上講，我們可以通過盡可能多地利用功率轉(zhuǎn)換效率較高的AC/DC或DC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器盡可能地降低電源電壓和采用動態(tài)電壓調(diào)整等技術(shù)或方法來盡可能地延長手機電池的工作壽命。下面我們將從射頻、基帶、背光、音頻放大、充電器等五個方面來討論下一代手機電源管理面臨的挑戰(zhàn)與設(shè)計趨勢。

位于射頻部分的發(fā)送功率放大器是手機中最耗電的元件，最大峰值電流差不多要達到1A，在典型的應(yīng)用情景下，它幾乎要消耗一半的手機電池能量。因此，對設(shè)計工程師來說，這部分要特別加以關(guān)注。目前手機功放元件市場仍以砷化鎵HBT占主導地位，但未來采用增強型準晶高電子遷移率晶體管(E-pHEMT)技術(shù)的功率放大器將可能成為手機功放的新選擇。該類器件的工作電壓可低至2V，而且由于采用了一種自動調(diào)節(jié)技術(shù)來解決溫度漂移問題，避免了在HBT技術(shù)中采用的限流電阻，因此該類芯片能有效地降低射頻部分的功耗。典型情況下，采用E-pHEMT技術(shù)的功放可以將電池使用壽命提高近15%。該類器件未來有望在CDMA/GSM手機中得到大規(guī)模的應(yīng)用。

射頻收發(fā)器也是射頻部分的一個大功耗元件，在發(fā)送或接收狀態(tài)下，其消耗的電流約在50到100 mA之間。除了耗電以外，收發(fā)器還為設(shè)計工程師帶來了另外一大挑戰(zhàn)，那就是從手機中其它元器件的電源處接收到的噪聲可以極大地影響收發(fā)器的整體性能。因此，設(shè)計工程師應(yīng)當將收發(fā)器的電源很好地隔離開來以解決潛在的噪聲問題。

手機基帶器件是除功放外功耗最大的地方。通常這部分的功耗可以通過降低工作電壓和運行頻率來進一步降低，如動態(tài)電壓頻率變換技術(shù)可以根據(jù)工作狀態(tài)調(diào)整處理器的工作時鐘和工作電壓。此外，選擇合適的降壓轉(zhuǎn)換器也對降低系統(tǒng)整體功耗有很大幫助，一般來說，LDO DC/DC轉(zhuǎn)換器靜態(tài)電流低，較適合用于輸入輸出電壓相差不大的應(yīng)用場合，開關(guān)模式DC/DC轉(zhuǎn)換器功率轉(zhuǎn)換效率高，較適合于輸入輸出電壓相差較大的應(yīng)用場合。由于未來手機各種功能模塊需要的工作電壓不盡相同，因此未來的電源管理芯片肯定是朝著多輸出電壓、高輸出電流和高集成度的方向發(fā)展，如最近安森美就針對手機市場推出了兩款高集成度的電源管理專用ASIC NCP4110，NCP4110可同時提供七個LDO和一個同步降壓型轉(zhuǎn)換器。

隨著手機增加更多的音頻功能，如MP3播放、多和弦鈴聲和FM廣播等功能，音頻電路所產(chǎn)生的功耗增加，優(yōu)化音頻電路的低功耗設(shè)計也成為延長電池使用時間的一個重要方面。手機應(yīng)用要求音頻器件具有較好的噪聲抑制(PSRR)、高功效、低工作電壓和最少的外圍無源器件，一般的應(yīng)用中采用LDO來提供音頻放大器電源以實現(xiàn)最低的PSRR，這將產(chǎn)生LDO通道的功率損耗。根據(jù)對功放器件接通和關(guān)斷時所產(chǎn)生的頻譜進行分析，如果音頻放大器的PSRR可以提高到超過60dB，則可以去除LDO，從而可有效降低音頻電路功耗。

彩屏顯示正成為下一代手機的標準配置，而彩屏要求提供白色LED背光。通常情況下，一個LCD彩屏的均勻背光需要3到4個或更多的二極管，智能手機可能需要6個或更多。由于游戲功能和無線接入功能需要長時間的背光照明，因此背光功耗也是手機功耗的一個重要組成部分。從技術(shù)上講，要實現(xiàn)均勻的白色LED背光通常要帶來兩大設(shè)計挑戰(zhàn)：一是二極管正向電壓要達到3-4V(與鋰電池要同)，因此需要一個升壓轉(zhuǎn)換器；二是必須控制二極管電流，以保持均勻的亮度及顏色純度。目前兩種常用的升壓方案是電荷泵和電感升壓轉(zhuǎn)換器，前者的優(yōu)點是需要的外部零件少而且不需要包含穩(wěn)壓電路，缺點是輸出電流有限制，后者的優(yōu)點是可產(chǎn)生較高輸出電流和穩(wěn)壓輸出，缺點是需要較多外部零件、需要更大PCB板面積和產(chǎn)生較大EMI。此外，為保持均勻亮度和顏色純度，必須控制二極管電流差小于10%，目前主要采用電流控制穩(wěn)壓架構(gòu)。

在外置式手機充電器/適配器部分，開關(guān)型變壓器正在迅速取代傳統(tǒng)的笨重的線性變壓器，因為高頻開關(guān)變壓器與線性變壓器相比不僅重量非常輕，而且體積也要小很多。安森美半導體公司亞太區(qū)模擬集成電路產(chǎn)品經(jīng)理陳柏勛指出：“為充電器/適配器應(yīng)用開發(fā)的任何開關(guān)電源都需要一個起隔離作用的開關(guān)變壓器?！背潆娖鲬?yīng)用的一個關(guān)鍵要求是安全性，而變壓器可將很高的AC電壓與很低的便攜式設(shè)備的充電電壓隔離開來，它的主要作用是防止雷擊。