未來手電電源管理面臨的挑戰(zhàn)以及解決方案

未來的手機(jī)會集成更多需要耗電的功能或特性，如何延長電池使用壽命成為一項(xiàng)重大課題。結(jié)合中國手機(jī)產(chǎn)品的研發(fā)趨勢，本文將從射頻、基帶、背光、音頻放大、充電器等方面探討下一代手機(jī)電源管理面臨的挑戰(zhàn)與相應(yīng)的新技術(shù)和解決方案，并提供了一些降低電路功耗及噪聲的設(shè)計(jì)思路。

近兩年中國手機(jī)市場的兩大特點(diǎn)是：由于終端用戶市場還看不到對3G應(yīng)用的迫切需求，3G商業(yè)化部署和運(yùn)行前景仍不明朗；手機(jī)更新?lián)Q代首次成為這一市場的主要增長動力，新的用戶增長已經(jīng)減緩，電信服務(wù)運(yùn)營商需要為現(xiàn)有用戶提供更多的新服務(wù)來增加營收和擴(kuò)大市場份額，如短信、電子郵件、彩屏顯示、網(wǎng)上沖浪、多和弦鈴聲、音樂、游戲、影像、新聞和體育快訊等。這么多功能的集成對手機(jī)的電源設(shè)計(jì)和管理提出了極大的挑戰(zhàn)，這主要是因?yàn)槎喙δ軒淼母吖拇蠓档土虽囯姵氐墓ぷ鲏勖?，如使用手機(jī)進(jìn)行網(wǎng)上沖浪時(shí)很可能一二個(gè)小時(shí)手機(jī)就沒電了，而電池工作時(shí)間又是最終用戶最關(guān)注的指標(biāo)之一。

在目前新的高能電池技術(shù)(如燃料電池)仍不成熟的情況下，下一代手機(jī)的電源管理便只能從提高電源利用率和降低功耗這二個(gè)方面著手。原則上講，我們可以通過盡可能多地利用功率轉(zhuǎn)換效率較高的AC/DC或DC/DC開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器盡可能地降低電源電壓和采用動態(tài)電壓調(diào)整等技術(shù)或方法來盡可能地延長手機(jī)電池的工作壽命。下面我們將從射頻、基帶、背光、音頻放大、充電器等五個(gè)方面來討論下一代手機(jī)電源管理面臨的挑戰(zhàn)與設(shè)計(jì)趨勢。

位于射頻部分的發(fā)送功率放大器是手機(jī)中最耗電的元件，最大峰值電流差不多要達(dá)到1A，在典型的應(yīng)用情景下，它幾乎要消耗一半的手機(jī)電池能量。因此，對設(shè)計(jì)工程師來說，這部分要特別加以關(guān)注。目前手機(jī)功放元件市場仍以砷化鎵HBT占主導(dǎo)地位，但未來采用增強(qiáng)型準(zhǔn)晶高電子遷移率晶體管(E-pHEMT)技術(shù)的功率放大器將可能成為手機(jī)功放的新選擇。該類器件的工作電壓可低至2V，而且由于采用了一種自動調(diào)節(jié)技術(shù)來解決溫度漂移問題，避免了在HBT技術(shù)中采用的限流電阻，因此該類芯片能有效地降低射頻部分的功耗。典型情況下，采用E-pHEMT技術(shù)的功放可以將電池使用壽命提高近15%。該類器件未來有望在CDMA/GSM手機(jī)中得到大規(guī)模的應(yīng)用。

射頻收發(fā)器也是射頻部分的一個(gè)大功耗元件，在發(fā)送或接收狀態(tài)下，其消耗的電流約在50到100 mA之間。除了耗電以外，收發(fā)器還為設(shè)計(jì)工程師帶來了另外一大挑戰(zhàn)，那就是從手機(jī)中其它元器件的電源處接收到的噪聲可以極大地影響收發(fā)器的整體性能。因此，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)當(dāng)將收發(fā)器的電源很好地隔離開來以解決潛在的噪聲問題。

手機(jī)基帶器件是除功放外功耗最大的地方。通常這部分的功耗可以通過降低工作電壓和運(yùn)行頻率來進(jìn)一步降低，如動態(tài)電壓頻率變換技術(shù)可以根據(jù)工作狀態(tài)調(diào)整處理器的工作時(shí)鐘和工作電壓。此外，選擇合適的降壓轉(zhuǎn)換器也對降低系統(tǒng)整體功耗有很大幫助，一般來說，LDO DC/DC轉(zhuǎn)換器靜態(tài)電流低，較適合用于輸入輸出電壓相差不大的應(yīng)用場合，開關(guān)模式DC/DC轉(zhuǎn)換器功率轉(zhuǎn)換效率高，較適合于輸入輸出電壓相差較大的應(yīng)用場合。由于未來手機(jī)各種功能模塊需要的工作電壓不盡相同，因此未來的電源管理芯片肯定是朝著多輸出電壓、高輸出電流和高集成度的方向發(fā)展，如最近安森美就針對手機(jī)市場推出了兩款高集成度的電源管理專用ASIC NCP4110，NCP4110可同時(shí)提供七個(gè)LDO和一個(gè)同步降壓型轉(zhuǎn)換器。

隨著手機(jī)增加更多的音頻功能，如MP3播放、多和弦鈴聲和FM廣播等功能，音頻電路所產(chǎn)生的功耗增加，優(yōu)化音頻電路的低功耗設(shè)計(jì)也成為延長電池使用時(shí)間的一個(gè)重要方面。手機(jī)應(yīng)用要求音頻器件具有較好的噪聲抑制(PSRR)、高功效、低工作電壓和最少的外圍無源器件，一般的應(yīng)用中采用LDO來提供音頻放大器電源以實(shí)現(xiàn)最低的PSRR，這將產(chǎn)生LDO通道的功率損耗。根據(jù)對功放器件接通和關(guān)斷時(shí)所產(chǎn)生的頻譜進(jìn)行分析，如果音頻放大器的PSRR可以提高到超過60dB，則可以去除LDO，從而可有效降低音頻電路功耗。

彩屏顯示正成為下一代手機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置，而彩屏要求提供白色LED背光。通常情況下，一個(gè)LCD彩屏的均勻背光需要3到4個(gè)或更多的二極管，智能手機(jī)可能需要6個(gè)或更多。由于游戲功能和無線接入功能需要長時(shí)間的背光照明，因此背光功耗也是手機(jī)功耗的一個(gè)重要組成部分。從技術(shù)上講，要實(shí)現(xiàn)均勻的白色LED背光通常要帶來兩大設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)：一是二極管正向電壓要達(dá)到3-4V(與鋰電池要同)，因此需要一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器；二是必須控制二極管電流，以保持均勻的亮度及顏色純度。目前兩種常用的升壓方案是電荷泵和電感升壓轉(zhuǎn)換器，前者的優(yōu)點(diǎn)是需要的外部零件少而且不需要包含穩(wěn)壓電路，缺點(diǎn)是輸出電流有限制，后者的優(yōu)點(diǎn)是可產(chǎn)生較高輸出電流和穩(wěn)壓輸出，缺點(diǎn)是需要較多外部零件、需要更大PCB板面積和產(chǎn)生較大EMI。此外，為保持均勻亮度和顏色純度，必須控制二極管電流差小于10%，目前主要采用電流控制穩(wěn)壓架構(gòu)。

在外置式手機(jī)充電器/適配器部分，開關(guān)型變壓器正在迅速取代傳統(tǒng)的笨重的線性變壓器，因?yàn)楦哳l開關(guān)變壓器與線性變壓器相比不僅重量非常輕，而且體積也要小很多。安森美半導(dǎo)體公司亞太區(qū)模擬集成電路產(chǎn)品經(jīng)理陳柏勛指出：“為充電器/適配器應(yīng)用開發(fā)的任何開關(guān)電源都需要一個(gè)起隔離作用的開關(guān)變壓器。”充電器應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵要求是安全性，而變壓器可將很高的AC電壓與很低的便攜式設(shè)備的充電電壓隔離開來，它的主要作用是防止雷擊。