如何为新一代移动设备设计理想的供电系统

　　未来一代的移动电话快将登场。这些新一代的智能电话将会具备很多旧式移动电话所没有的功能特色，其功能已大大超越只能传送话音的旧式移动电话。如何为这些智能电话设计一个理想的供电系统确是一个极大的挑战。而能源效益近年已有大幅的提升，理论上已到了极限。因此业界应朝着哪一方向寻求进一步的发展？

　　目前业界的处境非常矛盾，一方面需要以全新的角度重新思考电源管理的问题，而另一方面开发新系统时所面对的问题又不能头痛医头、脚痛医脚，而是需要寻找一个全面性的解决方案。有个别的供应商曾提出一些目光短浅的解决方案，但大都只能头痛医头、脚痛医脚，对问题的解决没有多大的帮助。整个业界需要衷诚合作，携手构思眼光较为远大的全新方案，以提高功率输送及消耗的效率。

System-on-Chip

　　如何为移动设备提供所需的供电：面对的矛盾

　　由于以传送话音为主的移动电话大受市场欢迎，因此无线通信市场在过去六年出现飞跃的发展。但目前这个市场的增长已停滞不前。消费者都满意他们所用的移动电话，并不感到有必要换购新机。为了说服用户，令他们相信现在是换购新机的良机，新一代的手机不能再停留在只可传送话音的阶段。换言之，新一代手机必须属于智能型的移动电话，可以提供更多崭新的功能，例如可以传送信息及执行多媒体功能。宽带码分多址 (WCDMA)、通用移动电信系统 (UMTS)、通用分组无线通信服务 (GPRS) 及速度高达 384 Kbps 的 EDGE (可支持 GSM 进一步发展的更高数据速度技术) 等崭新数据传送服务已为这个发展奠定稳固的基础。智能型移动电话只要采用这些无线技术，便能够提供性能卓越的功能特色如网页浏览、音像碟片播放及数据串流传输、收发电子邮件以及多采多姿的电子游戏。只要一机在手，便可随时进入通信、学习、工作及娱乐的世界。

但问题并非这么简单。

　　这些过瘾的崭新功能特色会令电路的设计变得更为复杂，其复杂性甚至可能比旧电路高十倍。这些新的功能特色也需要高性能的彩色显示器、更高速的处理器、更快的无线调制解调器及数目更多的应用处理器为其提供支持，才可发挥其功能。由于新一代移动电话装设了应用处理器、基带元件、摄影镜头、存储器及显示块，而这些附件耗用最多电力，因此这类移动电话的功耗将会大幅增加。电源管理系统若不采用全新的设计，电池寿命可能只有消费者所预期的三分之一或更少。因此目前的最大问题是如何为这些新的应用方案设计一个理想的供电系统，而新的设计必须在外形大小、成本及能源效益方面都能符合消费者的期望。

新一代移动电话所需的供电

如何提高效率：传统设计的缺点

　　一向以来，电源管理芯片开发商设计这类集成电路时，往往依据设备生产商所提供的功率数字作为参考。有关芯片的输出功率便根据最高的负载要求预先确定，因此电源供应器往往会为某一功能提供比其实际需要还大的供电，为电池添加不必要的压力。

　　一直以来，设计电源管理系统的工程师只著重改善电源输出的效率，希望借此可以提高系统的能源效益。过去几年来，移动电话的机身越趋纤薄，所采用的电池也越趋轻巧，以致很多厂商都宁愿改用开关稳压器驱动负载，取代低压降 (LDO) 的线性稳压器。由于开关稳压器将电池功率转化为负载所需的功率时只耗费极少能源，因此专为这种应用方案而设的开关稳压器便一直大受欢迎。

　　但新一代的电话都具备传送大量数据的功能，而传送数据需要耗用大量电力，因此新一代的电话令电池更不胜负荷。此外，由于工艺技术越趋精密，芯片的体积不断缩小，电压不断下降，以致电源管理系统的功能变得更为复杂。虽然预期开关稳压器的效率仍可进一步提高，甚至可由 95% 提高至 97%，但以这样的功率驱动未来一代的应用方案便不大足够。

　　于是厂商各出其谋，纷纷构思崭新的设计技术，并且选用特别的结构，但成效并不显著。以数字技术的应用来说，ARM 曾经采用多种低功率的设计技术，其中包括广泛的时钟选通，以降低 ARM 处理器核心需耗用的功率。虽然该公司成功将微处理器的核心功率大幅降低，但由于传统的系统设计受制于固定的电压及频率，因此 ARM 这种技术的成效极为有限。若要进一步提高中央处理器的能源效益，我们必须突破上述的限制，以自适应的智能方式调控功率及性能。

　　电池技术的改善对提高系统的能源效益也帮助不大，因为电池技术的发展已到了相当成熟的阶段，短期内再难有新的突破。照目前估计，镍氢 (NiMH)、锂离子及镍镉 (NiCd) 等电池的能源密度不会有太大的提升。预计新一代的技术如燃料电池也无法在未来几年内推出市场。

　　目前有两个方案可供手机厂商选择。他们大可选用较笨重的电池，但这样做不会受消费者的欢迎。另一个方法是不再只顾提高个别元件的效率，改以电源管理系统作为一个整体入手，着重大幅度提高整个电源管理系统的效率。

　　能源效益的全新定义：以系统作为一个整体来评估

　　电源管理的定义必须加以扩大，除了涵盖输出功率之外，还应包括功率分配及功率消耗。换言之，供电系统应与耗电系统连为一体，让这两个系统可以互相通信，以便大幅节省能源。

　　要在这方面取得巨大的效益，业界必须改变目前的生产模式。一向以来，电源管理芯片开发商与处理器开发商互不往来，各自开发自己的技术。但能源效益的提升目前已差不多到了极限，采用这种各自为政的传统方法已无法大幅提升能源效益。

先进的节能技术

　　业界领袖深切明白各厂商必须衷诚合作，携手开发一个针对整个系统的全面性电源管理系统，才能够灵活管理嵌入式系统的性能及功耗。这个全新的取向确保各种不同的节能技术可以发挥相辅相成的作用。

　　以下介绍这种设计的理论依据。美国国家半导体的 PowerWise 技术以系统作为一个整体，并在这个基础上尽量减低数字超大规模集成电路 (VLSI) 的功耗。若耗电系统及供电系统在运作上有密切的关系，PowerWise 技术便将这两个系统连成一个闭环系统，以便减低供电量，但同时又确保系统能发挥最高的能源效益。因此，这个设计又称为自适应电压调节 (AVS) 技术。这种技术采用符合 AMBAÒ 技术标准的核心。这个称为自适应电源控制器 (APC) 的可合成核心可与 ARM 的中央处理器互相支持，发挥相辅相成的作用。自适应电源控制器决定需要的功率，并利用高速的低功率 PowerWise 接口将有关信息通知外置的电源供应器。电源供应器收到这个信息之后，便会利用不同的方法节省能源。

　　此外，ARM 的智能能源管理程序 (IEM) 软件技术采用先进的算法，可以按照处理器的实际工作量灵活调配供电，使工作量与功耗能够互相匹配，但又确保系统能够随时作出适当的反应，满足用户的性能要求。这种技术可与手机的操作系统及应用程序在工作上互相支持，以便标准的编程人员软件可以灵活调节中央处理器的工作量。美国国家半导体的自适应电源控制器核心便根据实际情况设定所需的最低供电，并将这个供电量通知负责调控外置电源供应器的电源管理芯片。

　　智能型能源管理程序技术采用极为精密的软件算法，可与嵌入式硬件管理程序配合使用。这种技术与操作系统及应用程序可以在工作上互相支持，以便预测处理器的工作量以及确定处理器需要发挥哪一水平的性能才可在限期内完成各项任务。

尽量缩小体积、大幅节省成本

　　以第一批推出的移动电话来说，其处理器效率可提高 25 至 75%。生产手持式个人电子设备的厂商可大幅增加手机的功能特色，但即使如此，手机的大小、重量及电池寿命却丝毫不受影响。事实上，即使以传送话音为主的这一代手机也可利用这个合作开发的解决方案，以缩小机身及电池体积以及降低生产成本，但原有的功能特色则绝对不受任何影响。

功耗模式

功率 不设 AVS

设有 AVS

备用 语音 网上 视频 MIPS 模式

　　这个合作开发的解决方案也有另一个优点，那就是自适应电源控制器 (APC) 可以记录处理器的不同温度变化，让设计工程师可以缩小系统芯片 (SOC) 及电源供应器的保护频带，因此电源供应器无需再为过程中的不同温度变化作出过量补偿；它只需提供最低的电压便已足够，因此可以大幅节省电力及提高成品率。上述所有优点都可一一实现，而最重要的一点是整个过程无需大幅增加中央处理器或软件的额外工作。此外，缩小整个过程中的保护频带及降低电源供应器的电压有助节省测试成本及缩小元件的体积。

　　与此同时，业界若能衷诚合作，将可确保各厂商能够从不同供应商的产品之中挑选最能充分发挥系统性能的解决方案。

　　目前已有厂商采用这个合作开发的解决方案开发手持式个人电子产品，预计首批产品可望于 2004 年推出消费市场。照我们的估计，这个先进的节约能源解决方案将会更广泛应用于各种新一代的移动电话之中。

摘自《电子产品世界》