手機用電源技術-加快上市時間并符合高效成本與尺寸要求

目前便攜式應用集成了越來越多的功能，普遍的趨勢是手機已經(jīng)逐漸從單純的電話功能轉化成為數(shù)碼相機、移動電視、游戲設備以及多媒體終端等多重角色。現(xiàn)時數(shù)字科技，容許負責應用程序的處理器也足以為終端用戶提供這些功能，不過卻也必須付出更高功耗的代價。

因此工程師就面臨了兩項主要的挑戰(zhàn)，首先必須要能滿足許多功能的高度集成，其次則是提供足夠的電池使用時間，而在逐漸增加的功能外，用戶的另一個強烈需求則是手機的外型與尺寸。

用戶通常并不愿意犧牲電池的使用時間，也不想因為集成了其他功能而改變手機的尺寸與外型。誰會愿意購買一部集成了電視、MP3、MPEG4與PDA功能，但電池的運作時間卻只有兩個小時的手機？

圖1  MPEG4系統(tǒng)方塊圖
 
要克服這些挑戰(zhàn)，最好的策略是將更多的功能集成到芯片組中，帶有電源管理單元(PMU, Power Management Unit)，由兩或三片芯片集成的解決方案。除了提供手機電源外，電源管理單元基本上應該集成所有必備的模擬功能，例如USB OTG收發(fā)器、音頻放大器、白光LED驅動器以及部分比較器和部分按鍵照明用功率驅動電路，這樣的做法既簡化設計，又將控制電源所需資源降到最低，例如只需使用一個兩線式I2C總線就能夠控制整個PMU，且享有掌控外型尺寸與成本限制等主要優(yōu)勢。相當明顯地，這樣做擁有許多的好處，預計能協(xié)助設計工程師克服這些挑戰(zhàn)。

不過雖然在PMU中集成了越來越多的電源相關功能，但隨著新一代手機的推出，對獨立型電源轉換集成電路(IC)產(chǎn)品的需求卻日益增加，其中一個理由相當簡單，那就是采用標準的解決方案而不與其他手機制造商進行差異化將有助于推動手機成為配備標準功能的標準化手機。不過這并不能滿足那些對科技敏感度較高以及要求更多新功能的消費者，這也就是為什么手機制造商必須與眾不同并加入新功能來取得差異的主要原因。新功能可以讓產(chǎn)品對消費者更具吸引力，也就是我們所謂的“差異化”，差異化促使設計工程師在設計中加入標準芯片組中沒有的部分功能，而這就可能需要另一個應用程序處理器，或者是額外的電源。

另一個可以解釋需求逐漸升高的因素是更短的產(chǎn)品開發(fā)時間，一方面市場上對新功能的要求讓設計時間必須越來越快。另一方面，要開發(fā)集成這些新功能的芯片組可能需要許多年的時間，而面向如此高度競爭的市場，設計工程師一定不會愿意等到新芯片組的推出，而會選擇獨立型芯片與應用程序處理器。

而設計工程師能夠考慮的最簡單解決方案則是采用獨立型低壓降穩(wěn)壓器(LDO, Low Drop Out Regulator)，這類器件擁有使用簡單且高性價比的優(yōu)勢，同時也具備相當高的PSRR與超低噪聲等特性，使得它相當適合用來做為非常敏感的模擬與射頻功能電源，同時符合成本與外型尺寸的限制。除此之外，考慮到鋰離子電池的輸入電壓范圍，例如3.0 V到4.2 V以及LDO解決方案本身的低轉換效率，設計工程師只有在低輸出壓差或者是低耗電流的電源上才會考慮使用這些器件。

數(shù)字式應用處理器內核的電源電壓由于工藝技術的進步而逐年下降，目前1.8 V、1.5 V與1.2 V是相當常見的電壓，未來的趨勢更將進入1 V以下。在此同時，數(shù)字化處理能力和時鐘速度也隨著在固定空間內加入更多功能的趨勢提升，這使得LDO再也不適合做為提供應用處理器數(shù)字內核電源的解決方案，舉例來說，考慮一個可能需要由鋰離子電池提供1.2 V電壓600 mA電流電源的內核，其中最大壓差為4.2 - 1.2 = 3 V，因此我們可以假設會有3 x 0.6 = 1.8 W的功耗在LDO上，考慮到手機中必須使用的高密度印刷電路板上不良的散熱能力，普遍小型封裝器件的接面到大氣溫度系數(shù)平均高于100℃/W，因此我們可以預估，在25℃普通環(huán)境下，硅芯片的溫度會高達(100 x 1.8) + 25 = 205℃！這個溫度對硅芯片來說無法接受，同時也相當確定地會影響到手機的可靠度，更不用說這個解決方案可能低達30%的超低轉換效率。

要提供這些亞微米應用處理器內核的電源，設計工程師無可避免地必須采用電感式直流─直流轉換器，這些器件結合了超過90%的高效率優(yōu)勢以及低熱消耗，適當?shù)耐街绷鳗ぶ绷鹘祲菏睫D換器能夠提供應用程序處理器內核與輸出/入電壓的電源，選擇具備內部同步整流功能的脈寬調制(PWM)轉換器將無需外加肖特基二極管，并在0.9 V到3.3 V的整個運作范圍達到90%到96%的高效率，輸出電流更可高達600mA。

在便攜式應用中，一個節(jié)省電源的方法是讓處理器進入低功耗模式，當系統(tǒng)運作不需處理器的所有處理效能時，內核處于低功耗的待機模式，或者是采用靜態(tài)式內核設計時擁有最低功耗的睡眠模式，在這些模式中功耗需求相當?shù)汀WM直流─直流轉換器的一個缺點是當輸出電流較低時，轉換器的效率也隨著降低，一個解決這個問題的方案是采用能夠自動在輸出電流需求較低時轉換到脈沖頻率調制(PFM)方式的同步PWM降壓式轉換器，這類器件結合了兩種控制模式的優(yōu)點，因此不管輸出電流需求的高低都能維持高效率。 

但是當內核必須回復運作時，電流需求會快速提升，可能會在幾個ms內由數(shù)mA大幅提高到600mA的大小，因此直流─直流轉換器也必須要能夠快速做出反應，否則輸出電壓將會下滑。同時電源監(jiān)測IC也可能檢測到這個下滑動作而對處理器產(chǎn)生不必要的重置動作，要克服這個潛在的問題需要一個具備快速負載瞬態(tài)響應的直流─直流轉換器，例如NCP1522就可以對300mA的電流需求步階變化提供40 mV的負載瞬態(tài)響應，而在瞬變期間，這個變化可以由去耦合電容吸收，因此監(jiān)測重置IC不會檢測到這個變化，或者在最糟情況下，會將它視為寄生瞬態(tài)。

圖2  NCP1522的典型轉換效率曲線 (Vin = 4.2 V - Vout = 3.3 V) 

采用降壓型直流─直流轉換器時的一個主要考量是輸出濾波器的尺寸大小，為了能夠控制電源的尺寸，供應商已經(jīng)改用更高的轉換頻率以便縮減輸出濾波器的尺寸，例如采用1MHz轉換的同步直流─直流轉換器NCP1512需要的是優(yōu)化的   10mH/10mF電感電容輸出濾波器。而新一代的2 MHz同步直流─直流轉換器NCP1522則搭配使用2.2mH/4.7mF，讓電容尺寸可以由C805縮小到C603，這個比較顯示出轉換頻率越高，輸出濾波器的尺寸就越小。

提供應用程序處理器電源不只需要一個電壓，通常還需要加入如Vcc輸出/入電壓與Vcc模擬電壓等其他電源，Vcc輸出/入電壓在主處理器中越來越常見，而通常這也是事實，這個電源就可以共用并由主PMU提供。由于附屬應用處理器可能不需要外部RAM存儲器或閃存，同時可能與主處理器共用部分存儲器空間或串行通信連線，因此這樣做相當合理。另外考慮到模擬電源Vcc，雖然可以和主處理器共用，但如果附屬應用程序處理器在電路板上的位置距離主PMU較遠，甚至是安排在不同的電路板上時，那么這就不是一個明智的選擇。設計工程師在提供處理器電壓時必須盡可能地接近目標。如前面所提，模擬電源通常需要一個低噪聲LDO，目前廠商較常采用的選擇之一是提供集成一個面向內核電源的PWM/PFM同步直流─直流轉換器以及可以應用在應用程序處理器輸出/入或模擬部分LDO電源的小型化電源IC產(chǎn)品，NCP1526就是一個例子。

圖3  NCP1522負載瞬態(tài)響應 

要集成高噪聲轉換式直流─直流轉換器與提供較敏感射頻或模擬功能電源的超低噪聲LDO是一個相當大的挑戰(zhàn)，同時在效率、PSRR、噪聲等標準篩選條件外，設計工程師還必須額外注意LDO與直流─直流轉換器間的串擾(crosstalk)，這個參數(shù)區(qū)分了LDO能夠拒絕由直流─直流轉換器所傳送過來噪聲的能力，通常主要發(fā)生在面臨大幅度電流瞬變時。

圖4  NCP1526的典型應用 

如圖5中所顯示，NCP1526擁有相當好的串擾特性，使得它非常適合應用在提供較敏感的模擬與射頻模塊電源，同時還具備滿足高速內核處理器所需要的絕佳瞬態(tài)響應。

圖5  NCP1526串擾與負載瞬態(tài)響應 

在手機的開發(fā)上，我們無可避免地采用一個集成型電源管理IC做為內核電源，這個IC結合了設計簡單的高度集成且高效率解決方案，同時具備高性價比。不過由于在手機需求變化或各家制造商加入差異化功能時較無彈性且芯片與芯片組開發(fā)時間過長，小型化直流─直流轉換器與小型電源IC預計將在手機開發(fā)的應用上擁有光明的未來。假如供應商能夠提供兼具高性價比、高效益空間使用與高轉換效率的解決方案，手機設計工程師就可以擁有許多選擇，其中直流─直流降壓式轉換器還是應用程序處理器內核電源的最佳解決方案，而LDO則依舊是射頻與對噪聲較為敏感功能的最佳選擇。

器件封裝的發(fā)展挑戰(zhàn)

手機的輕巧外型同時也引領了這些IC產(chǎn)品的新封裝技術發(fā)展，制造商的趨勢是開發(fā)出超薄手機，其中一個可以解釋Motorola公司RAZR產(chǎn)品能夠在全球獲致相當成功的因素是它的創(chuàng)新設計與超薄外型。

目前手機中最常使用的封裝方式為TSOP與DFN或QFN，雖然它們擁有相當良好的溫度特性，讓這些封裝成為功率IC的最佳選擇，但厚度卻無法突破 0.9 mm，而這正是超薄手機發(fā)展的一個限制。直到目前為止，供應商能夠提供給設計工程師的唯一更薄解決方案為μBump，雖然它的0.55 mm厚度可以實現(xiàn)超薄設計，但是這個封裝的主要缺點是總體解決方案的成本，同時不僅考慮到封裝的本身，印刷電路板設計上的要求，例如微型穿透激光也會增加復雜度與生產(chǎn)成本，同時散熱效率也不高，使得這個封裝無法應用在如高功率直流─直流轉換器等功率器件上。最后，采用這個封裝還需要生產(chǎn)線上較高的技術能力，同時也會因為焊接不良IC數(shù)目的增加以及生產(chǎn)線后段測試的高淘汰率壓低了整個生產(chǎn)的效率。

安森美半導體推出了新的功率器件，例如直流─直流轉換器NCP1521、集成型電源芯片NCP1526，同時還有LLGA封裝或稱為mDFN封裝的音頻放大器NCP2820，厚度僅0.55 mm，克服了mBump封裝的限制，同時提供相當良好的散熱特性。

mDFN可以允許設計工程師在0.5 mm間距內加入10根引腳，集成了降低總體解決方案尺寸卻不增加印刷電路板設計限制的優(yōu)勢，并且允許生產(chǎn)線采用標準的生產(chǎn)流程。