手机电源管理设计技术

手机功能整合愈来愈多，然电池容量的增长，却始终未能跟上功能变化脚步，如何在有限容量下，提高手机的使用时间，良好的电源管理与提升工艺技术，都是减少手机功耗的有效作法。  

传统只用来应付通讯功能的手机，已无法满足消费者的应用需求，MP3功能手机成为必要配备，而多种多媒体功能设计，都成为3G手机时代下，业者标榜功能诉求。

具照相摄影功能的手机，需要有复杂的相机引擎与高亮度闪光灯；而随着无线通讯频宽增加，应用高速处理器，可提供执行Bluetooth无线传输、卫星定位、手机上网、数字电视、语音讯号编/译码…等音视讯处理能力。

然功能要求愈来愈多的结果，手机电池的负荷势必更为沉重，手机内部用电设计，也变得更为繁复，因此需要更适合的省电技术，以因应手机中各种功能需求。显然，如何将大量的功能整合在1个小空间内，整合恰当的高性能模拟与数字组件是最根本的作法。

再者，现阶段在无法提升手机电池容量情况下，有效压低数字讯号处理器的功耗变得更为重要，除透过进步的工艺技术降低数字讯号处理器驱动电压外，良好的电源管理，成为节省手机功耗的不二法则，才能设计出符合消费者对手机长时间使用的需求。



图 多媒体手机，除通讯功能外，各种影音、视讯、无线传输能力，已成为手机配备功能，但也同时增加电池功耗，因此需要更多电源管理技术，增加手机使用时间

显示屏幕及射频区块 耗电居前两名

一般手机使用时，约有超过90%的时间处于待机状态，但屏幕上仍然要显示日期、时间、电池电量、收讯状态，而此时待机模式的耗电，需要整个屏幕来支持显示，因此显示器部分成为手机耗电一大问题。

目前手机上大多是使用TFT LCD作为显示器，LCD属于被动显示，需有背光源才能发挥显示效果。背光源设计，除开关On/Off外，还须有调节驱动电流来改变LED的亮度，调整亮度的方法可借控制正向电流，来减少显示器功耗，主要方法有2种，1种是利用固定电流来驱动LED，固定电流可消除正向电压变化导致的电流变化，可以固定LED亮度；另外1种方法是利用1个电压电源和1个整流电阻器，来确定产生预期正向电流所需要向LED提供的电压。

除了屏幕是电源功耗一大杀手外，另外1个功耗来源，就是射频区块部分。当中以射频零组件中的功率放大器消耗功率为最大，强调更好输出效率的放大器电路已愈来愈受重视，同时其功耗也逐渐获得大幅改善。

新一代的移动电话开始采用更低的电池电压同时，射频功率放大器就必须改变设计方向，目前HBT射频功率放大器技术，必须适用于3.0伏特以上电压，而用于低电压直流电源上取得高线性射频功率输出，就必须仰赖E-pHEMT技术，如此能为手机制造商提供更好的功率加效率(PAE)、低压操作和高可靠性…等独特优势相对于HBT，E-pHEMT技术，具备高电压下较佳效率，在低偏压下更具吸引力。由于E-pHEMT组件，可在低于2伏特的低偏压条件下，维持良好的线性与增益表现，可以避免付出降/升压转换器的成本与功率耗损，也能在不加入不必要组件的条件下，提高电池效率并延长手机通话时间。



图 美国国家半导体0.4mm厚的超薄集成电路封装技术，适用于更轻薄短小的移动电话、显示器、MP3播放器、PDA及其它可携式电子产品。

压差线性稳压器LDO减少音频功耗

手机各种音讯功能，如MP3播放、多和弦铃声和FM广播…等功能，都会增加手机功耗。因此如何让音讯电路最佳化达到低功耗设计，成为延长电池时间的重要问题。

而改善音讯耗电能方法，手机音讯组件多要求具备较好的噪声抑制、低工作电压、高功效性能。目前一般最常见采用压差线性稳压器(Low Dropout regulator；LDO)来抑制噪声(PSRR)。线性调压是最常见且最易应用的电压调整方式，其优点是封装体积小、外部组件少，利于电路面积有限的手持装置设计。

LDO是电路板设计上常见的直流转换组件，LDO都是高电压转低电压工，作原理是类似像分压原理，其脚位少、可以过滤电源噪声。但LDO虽然是低转换电压，功耗相当低，但仍有部分电力耗损，如果音频放大器能够提高到超过60dB，就不需要应用上LDO，可以降低音频电路功耗。



图 奥地利微电子推出200mA微型超低压降稳压器AS1369，仅占1mm2 PCB空间，适合移动电话与PDA…等空间有限装置。AS1369 LDO可实现性能提升，延长电池寿命。

DC/DC电源转换器产品 可减少LDO需求

在电源管理IC选择中，终端市场对产品尺寸及电源转换效率要求日益严苛，因此属于低成本但效率较差的LDO线性稳压器，渐受到电源转换效率较好，但设计和成本门坎较高的交换式稳压器(Switching Regulator)威胁，例如直流转直流转换器(DC/DC Converter)市场的冲击与威胁，造成LDO量缩，甚至因此导致价格下跌，价格竞争压力，让不少电源IC业者转投入DC/DC电源产品研发。

高频率的DC/DC转换器，可让系统周边仅须搭配很小的电感或电容即可，进而缩减电路板面积，当手机与数字相机(DSC)朝轻薄设计发展，势必要减少系统对于单颗LDO需求。因此，使用单组LDO的机率就愈低，不少厂商都转向投入DC/DC转换器研发，包括以经营LDO为主的安茂微电子，也正全力投入DC/DC转换器开发。

整合电源管理芯片趋势

1.低阶手机基频芯片整合PMU  

PMU主要是用于解决手机内部电源管理问题，发展PMU的主要目标，即是为手机做有效节电，以避免效率转换损失。目前低阶手机芯片的核心主轴基频芯片，已朝整合PMU电源管理模式发展，由于基频芯片整合PMU可节省手机空间，PMU可具不占空间以及高整合性优势，让厂商致力于发展基频芯片整合PMU方案。

2.高阶手机应用处理器整合PMU  

而高阶手机部分，如3G智能型手机配备多媒体影像、无线传输功能设计，其应用处理器耗电量更大，因此就必须发展专用、整合型PMU，以降低应用处理器耗电量。例如，意法半导体就整合了USB OTG高速(High Speed)与音讯编/译码(Audio Codec)，因应智能型手机对音讯的精致度要求，让手机具快速数据传输功能。而美国国家半导体，也针对LED发展出高整合度照明管理单元(Lighting Management Unit；LMU)可解决LED耗电速度快的问题。

另外，电源管理芯片朝客制化发展，将成为未来趋势，为提高PMU使用弹性、扩大应用空间，针对某类型市场或处理器平台，开发出客制化规格，才能创造出业者的市场竞争力。例如德州仪器针对三星的应用处理器，便推出了专属PMU解决方案，希望通过提供客制化的PMU产品服务，积极开发类型(Catalog)PMU，提高产品市占率。

而意法半导体量产的整合型PMU，则是采模块化策略，尽可能整合高阶手机必要功能，如客户有提出某项功能不合适，只需将该功能关闭继续保留其它功能，满足不同客户对手机定位的要求。



图 美国国家半导体高整合度灯光管理单元(LMU)，内建高电压升压转换器及可程序恒流驱动器，可以控制显示器背光系统内高达20个串联发光二极管，以及驱动设于小键盘和相机闪光灯内的发光二极管与红绿蓝 (RGB)光发光二极管。

分离式电源芯片 设计弹性佳

由于整合性电源管理芯片，仍有功能设计限制及弹性不佳缺点，无法为市面上所有手机附加功能全部整合在内，一旦选择整合型PMU，如果设计生产过程出现瑕疵问题，则会影响到后续的作业程序；而分离式电源芯片有更多弹性设计，在规格上都能达到兼容，在功能性、设计方案可以有更多选择性，可避免单一芯片商可能影响设计、生产…等问题。

整合性电源管理芯片种种设计限制，凸显分离式电源芯片有更大弹性及变化优势，特瑞仕半导体发展的多芯片封装(MCM)模式，就属于分离式电源芯片1种，其能针对有些微差异功能的手机，进行电源管理设计与功能变更，而整合型电源管理芯片，只能专用于某型号的手机中。

多芯片封装(MCM)模式与LDO、DC/DC转换器…等分离式电源管理芯片，其设计弹性大，使其能与整合型PMU市场地位并驾齐驱，而不少业者也纷纷提出类型化、模块化芯片设计，分离式电源管理芯片可就单一功能进行技术研发，因应未来手机快速汰旧换新、求新求变的产业趋势中，才能符合手机业者的客制化需求。

在提出分离式电源管理芯片业者中，美国国家半导体的移动像素链接(Mobile Pixel Link；MPL)实体层技术，针对影像显示画素造成的耗电进行管理，以进一步解决电源供应、噪声、及稳定性问题，该技术主要应用于小型显示器及数字相机。MPL能将RGB数据影像从原本24位传送，转换成18位数据进行传送，影像讯号传输路径变大，影像也较清晰，还可达到省电效果。

电池容量管理 增加使用效率

电池转换技术不断精进，然而电池容量却仍赶不上手机厂商需求，与消费者对手机使用时间的满足。虽然近年来，为提高手机电池使用时间，业者开始专注更多高能量电池开发，但对锂离子电池的逐步改进预期，也仅能小幅增加2"3成电池容量。

电池容量短期内不会有突破性发展，就必须靠妥善管理电池容量，让电池可以提供更长的使用时间，而适当的电池管理就显得格外重要。例如对电池的侦测、充电控制、电池保护…等，都可有效管控电池容量状况。透过电池侦测组件，可以检视电池剩余电力，用简单的电荷计量器，由中央处理器负责计算剩余电力，或是通过微控制器的量测组件，提供剩余供电时间、剩余电力、电池电压、温度、电流量…等数据数据，可让使用者更有效掌握电池供电现况。



图说：德仪电池电量监测芯片，可测量电池放电率、温度、老化程度，及其它因素对电池阻抗的影响，量测电池使用寿命的准确率高达99%。