管理手机功耗需要适当的晶片

第三代(3G移动电话以更多的功能提供了广泛的特性。尽管消费者赞赏其通信设备的最新及增强的性能，但他们仍继续希望从一节充电电池上获得更长的设备工作时间与更小的外形尺寸。

IC整合虽能解决设备的尺寸问题，但也会增加设计复杂性并限制设计灵活性。今天的移动电话设计者必须考虑几项因素来有效地最佳化功耗，以延长电池工作时间。因此，须组合运用高整合度电源管理IC与高性能分离元件来进行有效的电池管理、电源转换与系统管理。

在设计高阶无线设备时，工程师将面临一个基本的两难选择。首先，他们需要将众多功能整合在一个常常由电池与显示萤幕尺寸、用户介面复杂性及设计工程学所决定的特定外形尺寸中。其次，电池的可用能量是由其化学特性所决定的，因为化学特性决定了其能量密度与实体尺寸。这些变化的参数通常会迫使设计者透过更有效地利用电池能量来满足消费者对设备待机与工作时间的需求。

今天的3G多功能手机支援几种空中介面，并能提供多波段数据机连接(如GSM与WCDMA)。此外，透过蓝芽、Wi-Fi、红外线及USB介面，它们还可实现其他连接。

今天很多手机中的标准配置─数位摄影，要求有复杂的相机引擎与高亮度闪光灯。凭借更高的数据传输速度，手机还可实现视讯电话。此外，高速应用处理器可提供执行数字电视(DTV)信号与MPEG音频编解码所需的音视频处理能力。更新型的手机还计划增加调频(FM)广播与DTV调谐器来提高其娱乐价值。

更高的数据吞吐量最终需要有高密度的储存能力，这可透过存储器扩展槽或微型硬碟来实现。不难想像，大多数无线设备还将扮演可携式游戏机的角色。

今天，几乎所有3G手机都采用锂离子电池，因为它在所有可充电电池中具有最高的能量密度。大多数锂离子电池的尺寸在50 x 40 x 5mm左右，容量大约为900-1,200毫安-小时。

尽管燃料电池号称能提供比锂离子电池高得多的能量密度，但由于技术与法规问题，其大量使用仍需数年的时间。而且，对锂离子电池的逐步改进预期也可能会增加30%的电池容量。因此，系统工程师将受制于容量大约为1,500-1,800毫安时的电源。这种两难局面最终将迫使数字与模拟半导体技术转向下一个低功率节点，并促使人们开发超高效充电电池。

整合与布局问题

很明显，为了将大量的功能整合在一个相对较小的空间中，整合一组恰当的高性能模拟与数字元件是最基本的做法。问题是，什么元件必须被整合，以及工程师该如何解决外形因子影响元件布局等问题？答案是整合用于基频处理器、音频子系统以及介面元件的标准电源轨，这些标准电源轨在不同移动电话平台与供应商之间是共用的。不过，这种方法存在两项内在的挑战。

首先，目前的设计允许根据所需的功能及人体工程学，以多种方式来设计手机。今天，电子设计必须考虑能将手机设计成块状、翻盖或滑盖形状，且全都采用不同的显示萤幕、键盘与扬声器配置。这些设计差异会影响显示萤幕背光、相机模组与其他子系统的安放位置，同时也会对这些元件的整合构成限制。

在某些情况下，电源或音频功能的一体化整合有可能导致较长的走线、复杂的电路板布局或与噪音拾取有关的电子设计挑战。另外，人们还不应该忘记手机制造商所期望的、具有成本效益的产品型号系列管理。为了以可组合的机型来满足市场需求，厂商必须为各种不同定价的手机提供不同的功能与性能水准。

为在激烈竞争的市场中获取最大的利润，这些机型的成本必须随手机功能的多寡而改变，因此不必将所有功能全都整合在一片大型IC上。如果特性不是特定机型系列所需要的，就需要将一些特定功能及其电源从板上撤下，以减少成本。

此外，采用相同基本晶片组的手机厂商还必须使其产品具有差异性，以提高竞争优势。这会导致一些主要差异化特性的分拆(或反整合)。差异性的典型例子包括採用更亮的相机闪光灯、更强大的手电筒光模式、D类立体声音频性能、特殊显示萤幕与键盘背光效果、MP3音频播放功能、调频广播接收与精确电池电量计量等。

图1：库仑计整合在电池包中，并透过一个I2C介面与主机交换电池参数。

为差异化子系统提供电源的典型非整合电源元件，可能是作为手机电池包一部份的电池电量表，也可能是高效小型的高频DC/DC核心电源、用于白光LED相机闪光灯的高性能DC/DC升压驱动器、或特殊白光LED背光驱动器(具有有机LED副显示萤幕供电电源)以及超低电源抑制比的线性调节器等。

对于大多数整合来说，首先整合的是那些受消费者欢迎的特性。具有更高性能与效率的先进类比半导体技术(包括经过最佳化的电源管理IC等)，随着出货量的增加及功能的标准化，这些技术的整合度将大幅提升。

最佳化电源管理

为进一步最佳化电源管理及延长电池工作时间，须考虑以下三个关键因素。首先，电池管理必须能处理电池的充电并测量其电量。其次，电源转换应尽可能有效地将电池能量转换为系统电源。第三，系统电源管理(负责分析处理器域的实际功耗并控制电源)必须能对电池能量使用进行最佳化。第一和第二个因素可透过电源管理元件选择来满足，而第三个因素则与处理一侧的软体开发关系很大。

在电池管理中，电量计量正变得越来越流行。在传统上，电池电量一般透过先测量锂离子电池的电压，然后再用记忆体中所储存的电量查找表来得出可用的电池能量。这些都是基于电池特定的锂离子电压与电量关系曲线。

但考虑到3G手机的复杂功耗以及锂离子电池工作随时间、温度及负载条件变化的情况，这种电池电量计量方法并不精确。为精确确定电池电量以便让处理器能更好地管理手机功耗，设计者须使用高性能库仑计与阻抗追踪来测量进出电池的实际电荷。这种方法能让处理器在电池将要耗尽时适时採用省电模式，并通知用户及时充电。

在电源转换方面，DC/DC转换器在提供用于LED驱动及处理器核心电源的高效解决方案方面正扮演着越来越重要的角色。为提高数字相机与视频会议的性能，CMOS与CCD感测器的解析度还在继续提高。今天，1、2百万画素的照相手机将让位给解析度更高的手机。

简单的物理学原理显示，提高感测器的解析度，需有更高的亮度才能拍摄出高品质的照片，而这反过来又需要使用具有更亮闪光灯的解决方案。目前，很多采用(以100毫安以下电流来驱动白光LED的)‘玩具’闪光灯的手机，其提供的亮度远不能满足要求，这种设计实际上不能提高任何画面品质。为真正提高照片品质，须用接近1A的电流来驱动高功率白光LED，而这是一个用充电泵拓朴所难以达到的电流值，因为其所导致的2A电池电流将超过系统为此类功能所预留的任何电池功率预算。

手机中的几个子系统可能需要有精确的核心电源电压。线性调节器一般被认为是一种小型且低成本的电压调节解决方案。不过当电流超过200mA后，由于过度的功耗，线性调节器开始需要使用昂贵且占用空间的散热器。功耗是由供电时较大的输入－输出电压差所致。例如，由一节3.6V锂离子电池提供的1.2V/500mA核心电压，当用线性调节器进行电压调节时，其转换效率仅为33%，电池能量大部份被转化为热量。当效率超过90%时，DC/DC转换器可能工作得较好，仅消耗一小部份低压差调节器所浪费的功率。

采用最先进模拟制程与设计技术的最新一代DC/DC转换器，具有好几种空间节省特性。

透过采用一个带整合开关调节器的DC/DC降压转换器，控制架构使电源能对负载瞬变进行快速反应，并保持高达1%的电压调节精密度(这是今天高性能处理核心所需的)。

图2：为解决电池电流问题，该高效率DC/DC升压转换器将700mA的电流驱动至用于相机闪光灯的白光LED中。

3MHz的开关频率可将电感大小减至1毫亨，因而允许使用高度小于1mm的低高度贴片电感。这种元件可采用晶片级封装，因而将IC尺寸减少至2 x 1mm，整个解决方案可安放至5 x 5mm的空间中。为进一步最佳化功耗，高阶DC/DC调节器还利用自动PFM/PWM模式转换，在一个宽负载范围内获得最大的转换效率。在轻负载电流上，转换器进入脉冲频率调变(PFM)模式；当负载电流超过50mA范围时，即转换为脉冲宽度调变(PWM)模式。利用这种方法能够以80-90%的效率提供1.8V/500mA核心电源。

电源与其他模拟元件的整合将不可避免。整合的关键是选择那些已发展成为标准并被众多手机平台所采用的功能。

驱动功能差异性的先进技术，通常都首先以允许进行定制的分离形式出现，而特性定制对于消费者及手机机型系列管理来说非常重要。

电源管理元件正继续改变手机电源的尺寸、效率与功耗，它们在减少终端系统的尺寸与重量方面扮演着越来越重要的角色。