3G手機系統(tǒng)設(shè)計的電源管理策略和發(fā)展趨勢

3G手機的電源管理與二代手機完全不一樣，它不僅支持語音功能，還有長時間用手機獲得互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的功能，以及如MP3播放或PDA這樣的娛樂和商務(wù)功能，甚至視頻功能，這些功能會消耗大量的電能。因此，必須在電源管理上采用全新的方法，否則這種功能密集的設(shè)備在電池壽命上可能還達不到用戶期望值的三分之一，本文將介紹3G手機系統(tǒng)設(shè)計中電源管理的策略和發(fā)展趨勢。

電源設(shè)計通常是在完全了解電壓、電流和調(diào)整參數(shù)后才確定下來，電源開發(fā)一般在整個系統(tǒng)開發(fā)的后期進行，并且常常遠離系統(tǒng)開發(fā)商，也可能由OEM或第三方廠商開發(fā)，這就會出現(xiàn)電源模塊與系統(tǒng)模塊要求之間的矛盾，這種情況有時難以協(xié)調(diào)。

隨著系統(tǒng)性能的要求不斷提高，上述傳統(tǒng)方法已無法達到所要求的目標。取而代之的將是全新的系統(tǒng)設(shè)計方法，它在設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)甚至各個電路模塊的同時就要求考慮電源輸送的方式，這樣就可以兼顧以前無法顧及的兩部分電路之間的協(xié)調(diào)。電源現(xiàn)在被看作是系統(tǒng)本身的一部分，需要分配到其它電路模塊之中以獲得最高的性能和經(jīng)濟效益。某些電源電路實際上可嵌入到電源芯片內(nèi)部，并能夠與其它大容量電源輸送芯片進行通訊。這種新方法可取得更佳的性能，在設(shè)計過程中，電源設(shè)計工程師要獲得有關(guān)整個系統(tǒng)的詳細知識，并在設(shè)計早期就參與到OEM的開發(fā)當中。

本文將以3G手機的復雜系統(tǒng)為例，闡述如何以整體系統(tǒng)設(shè)計方法實現(xiàn)電源管理。

3G手機的電源要求

今天的數(shù)字手機已經(jīng)成熟，隨處可見的第二代手機在電源管理方面能夠適應(yīng)語音工作模式并具有較高的效率。待機時間長達一周、通話時間可持續(xù)數(shù)小時的手機并不少見，用戶不需額外攜帶笨重的電池。這樣長的電池使用時間來自于功能模塊的智能開/關(guān)控制與分布式電源結(jié)構(gòu)的結(jié)合。分布式電源結(jié)構(gòu)是由若干的初級和次級調(diào)節(jié)器組成。調(diào)節(jié)器本身為高效的LDO、磁性開關(guān)及開關(guān)電容，并且都固定在預設(shè)的電壓上，以適應(yīng)特定電路模塊的需要。

然而，對3G手機的電源管理則完全不一樣。這種多模式設(shè)備不僅有語音功能，還有數(shù)據(jù)功能。人們長時間用手機獲得互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

3G手機可能還會提供一些娛樂功能，如MP3播放機或PDA一類的商務(wù)功能，同時語音服務(wù)還會伴隨現(xiàn)場的視頻功能，這些都會消耗大量的電能。很多新增功能的電路都必須永久性開機，因此無法使用簡單的開/關(guān)電源管理方式。總之，3G電話在平均功耗方面與2G相比有很大的增加，增加最多的是基帶、照相機、內(nèi)存及顯示模塊(見圖1)。必須在電源管理上采用全新的方法，否則這種功能密集的設(shè)備在電池壽命上可能還達不到用戶期望值的三分之一。

提高電池壽命

我們還是可以通過全局的系統(tǒng)方法來找到解決這個問題的方法。為更簡明地說明這一概念，僅以功耗較大的數(shù)字基帶部分作為分析對象。該數(shù)字電路是手機的核心部分，必須一直通電才能實現(xiàn)3G手機的很多功能。它需要有較高的處理能力，以應(yīng)付壓縮視頻這樣的應(yīng)用，但這種計算負載在處理不同內(nèi)容時會出現(xiàn)很大的變化，一般情況下其工作負載相對來說是較輕的。它需要根據(jù)任務(wù)來調(diào)整功耗，這種強大的電源管理機制在筆記本電腦中極為常見，如英特爾的SpeedStep技術(shù)就可根據(jù)處理器的幾種模式調(diào)整電源電壓。這是一種開環(huán)技術(shù)，處理器向VRM模塊發(fā)出一個簡單的命令來改變電壓變化的幅度。它取決于該芯片在預定的速度工作時所需的功耗和最小電源電壓。這樣，在主電源調(diào)整器的容許范圍內(nèi)可以增加一個較大的電壓幅度，以保證電路的正常工作。

自適應(yīng)電壓調(diào)整(AVS)

在電壓調(diào)整上，一個更為先進的方法是讓它具有完全的自適應(yīng)性。自適應(yīng)電壓調(diào)整AVS(Adaptive Voltage Scaling)是通過反饋機制將電源電壓調(diào)整到給定工作負載(處理量)所需的最小值。這種閉環(huán)方式可進一步減小功耗，但需要將部分電源管理電路置入主處理器。

在傳統(tǒng)的手機電源管理系統(tǒng)中(圖2)，來自PLL合成器的時鐘在饋送到基帶處理器之前要經(jīng)過調(diào)整。該處理器由一高效電壓調(diào)節(jié)器獲得受控電源電壓V_DD。在保證處理器可達到最大處理能力的條件下，V_DD被設(shè)在最小的水平上。在不同負載時，處理器所需的電壓會有很大的差異。

累積電能消耗量是電池管理的主要指標。由于一塊完全充電的電池所存儲的能量是有限的，不論是開/關(guān)控制，還是通過可變時鐘來管理基帶處理器的處理量，所消耗的電能總量是相同的。除時鐘調(diào)整外，采用AVS可減少大量功耗。

成功實現(xiàn)AVS的關(guān)鍵是在基帶芯片中集成部分系統(tǒng)電源管理電路，即內(nèi)置AVS控制器(圖3)。這一關(guān)鍵模塊包含專門的電路和算法，用來確定給定處理量下的最優(yōu)電壓。通過向電壓調(diào)整器的參考端輸入饋送誤差信號，可以生成最優(yōu)的V_DD，無需提供不必要的電壓余量，從而減少了電能損耗。對任何閉環(huán)方法來說，環(huán)路帶寬都是很重要的。環(huán)路快速跟蹤并穩(wěn)定的能力決定了基帶電源動態(tài)調(diào)整以自適應(yīng)工作負載突變的能力。

在典型的3G手機使用方式下，節(jié)省的電能很可觀。待機狀態(tài)節(jié)能最大，它僅受泄漏電流的限制；視頻模式不節(jié)能，因為該模式需要較大的計算處理。這些節(jié)能方法僅適合于基帶處理器功耗部分，對于其它大量消耗電能的電路模塊(比如射頻部分)并不適合。隨著技術(shù)的進步，AVS在延長多功能3G手機的電池壽命、滿足性能要求方面必將發(fā)揮重要作用。

電流控制

除了調(diào)整電壓使電池更有效率之外，還可采用其它辦法實現(xiàn)這一目標。以手機的顯示為例。目前，很多電話都采用白色LED背光顯示，以滿足消費者對更好、更生動顯示質(zhì)量的要求。第一代白色LED驅(qū)動器采用固定電壓的方法，然而，與紅色和綠色LED不同的是，驅(qū)動這些新型LED的正向電壓要高一些，通常在3V至4V之間。這在采用鋰電池等普通電池的應(yīng)用中就需要使用升壓轉(zhuǎn)換器。全LED電路帶來另一個復雜性：即需要恒流源的驅(qū)動，而不是恒壓源驅(qū)動。因為在恒壓源方式，正向電壓在制造上的差異性會產(chǎn)生更大的亮度差異。為最大限度減少各個白色LED在亮度及顏色飄移上的不均衡，采用恒流源比恒壓源更好。在很多情況下，由于消除了限流電阻上的功耗，該方法還能提高電源效率。因此，目前的趨勢是更多地采用恒流源驅(qū)動LED。

采用更多的集成

手機制造商一直面臨將下一代電話的所有功能都集成到輕巧的外殼中的壓力，因此，集成已成為達到這一目標的有效做法。盡管某些集成可能影響系統(tǒng)性能，但集成有助于實現(xiàn)更高可靠性、更輕和更小的手機。在這方面同樣要提高電源效率。以白色LED驅(qū)動器為例，電源設(shè)計工程師已不再采用四個獨立的LED驅(qū)動器，而將它們集成起來，在一只芯片中為四個LED分配電流(圖4)。

由于手機的功能很多，系統(tǒng)性能是推動集成的另一個因素。電源管理的另一個很可能的集成發(fā)展趨勢是將LDO集成到基帶芯片中。對無繩電話來說，這有助于節(jié)省空間和成本。對于手機來說，這將提供自LDO輸出到基帶電路的最短路徑。但是集成到基帶芯片中之后將缺少靈活性，基帶芯片的任何變化都會在其內(nèi)部引起LDO的修改，這樣就比LDO置于電源管理部分的情況花費更多的時間。所以，盡管LDO的集成已在無繩電話中采用，但手機制造商可能不會重走老路。