iPhone為何用固定電池？業(yè)界專家談智能手機的電源管理策略

手機正在逐步與多種數(shù)碼產(chǎn)品進(jìn)行功能融合，例如DSC、MP4、移動TV、Pocket PC、WiFi、GPS等，隨之帶來的是系統(tǒng)對供電電源的強烈渴望。電池容量從數(shù)百毫安時變成現(xiàn)在數(shù)千毫安時，在這種情況下，如何更有效地利用有限的電量，提升產(chǎn)品的待機、工作時間？DC-DC作為目前IC行業(yè)高效利用能源的典范，在手機中的應(yīng)用越來越廣泛。作為低壓小體積嵌入式系統(tǒng)的代表，手機對DC-DC的尺寸、厚度、外圍器件的復(fù)雜度、轉(zhuǎn)換效率、輸出紋波、靜態(tài)電流、啟動時間都有著明確的要求，尺寸也越來越小。

“DFN/SOT/CSP封裝是手機目前使用的DC-DC的主流；各種負(fù)載狀態(tài)下的高效率是選用器件的根本；輸出紋波、啟動時間則隨著功能單元的需求而定；靜態(tài)電流則決定了器件的應(yīng)用范圍以及效率的高低?！笔グ钗㈦娮佑邢薰井a(chǎn)品線經(jīng)理呂亮表示。

“智能手機開機往往要很長時間，為了加快反應(yīng)，一般關(guān)機僅僅使手機進(jìn)入深度睡眠，實現(xiàn)所謂‘1秒開機’。像iPhone更是不惜舍棄更換電池的方便，把電池固定在主板上，就是為了實現(xiàn)快速啟動。然而這樣的待機設(shè)計對DC-DC的靜態(tài)電流就提出了苛刻的要求?！钡轮輧x器中國區(qū)高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理張洪為指出。

雖然PMU、DC-DC以及LDO目前在智能手機的管理中各負(fù)其責(zé)，但是DC-DC以其靈活性和高效率仍扮演著重要的角色。本期我們邀請了眾多業(yè)內(nèi)電源管理專家，他們就智能手機未來發(fā)展所需要的電源管理策略發(fā)表了精辟看法，并介紹了一些最新產(chǎn)品。

智能手機電源管理的三大挑戰(zhàn)

德州儀器中國區(qū)高性能模擬產(chǎn)品業(yè)務(wù)開發(fā)經(jīng)理張洪為

張洪為：iPhone不惜舍棄更換電池的方便，把電池固定在主板上，就是為了實現(xiàn)快速啟動。

智能手機增加了若干路電源的需求如Vcore、DDR2內(nèi)存等，復(fù)雜性大大增加；外部模塊的大量引入，也加大了系統(tǒng)的待機功耗和消耗電流，電池的續(xù)航成為設(shè)計挑戰(zhàn)。總的來看，DC-DC有三個新需求：

1. 更小的體積。在纖薄的設(shè)計中塞入更多的部件，如GPS模組、藍(lán)牙模組、自動對焦攝像模組等等，體積變成最苛刻的要求之一。

2. 更低的靜態(tài)電流。iPhone不惜舍棄更換電池的方便，把電池固定在主板上，就是為了實現(xiàn)快速啟動。然而這樣的待機設(shè)計對DC-DC的靜態(tài)電流就提出了苛刻的要求，典型情況在20μA/通道以下。

電源產(chǎn)品需要盡可能降低靜態(tài)電流，一般好的DC-DC靜態(tài)耗電(專指無負(fù)載狀態(tài)/正常電壓輸出，而不是指處于關(guān)斷模式/無電壓輸出)只有15μA左右，差的往往到150μA~800μA。這里需要強調(diào)指出的是LDO，大家對DC-DC非常關(guān)注，對LDO的靜態(tài)電流關(guān)注不夠。由于對低噪聲追求，一般LDO的靜態(tài)電流往往比DC-DC大得多，通常在80~150μA左右，這樣的LDO如果有5個，對待機時間的影響最大會有10~20%，這是最容易解決但也是最容易被忽視的地方。

3. 核電壓Vcore需要隨頻率動態(tài)調(diào)整。進(jìn)行桌面管理時，CPU 50MHz的頻率就已綽綽有余，播放D1視頻解壓縮則需要以最快速度600MHz或更高的速度工作。當(dāng)然不同狀態(tài)下的功耗也相差若干倍，為了解決這樣的挑戰(zhàn)，動態(tài)調(diào)整Vcore變成智能手機成功的一個關(guān)鍵。TI提出的SmartReflex技術(shù)在Class3時可以實現(xiàn)基于硬件的自適應(yīng)電壓頻率調(diào)整，在Class2時可以實現(xiàn)基于軟件的電壓頻率調(diào)整，可完整地解決最大性能和最小功耗的矛盾。對于非TI處理器，TI的DC-DC或PMU一樣可以軟件或硬件方式實現(xiàn)核電壓的動態(tài)調(diào)整。

至于LDO，在智能手機中它有時僅僅作為負(fù)載開關(guān)來使用，因此往往對其性能要求不高；但是如果需要給WiFi、GPS、藍(lán)牙等模塊供電時，則需要低噪聲，高電源抑制比的LDO。

基于以上三個挑戰(zhàn)，TI不斷推出新一代的產(chǎn)品。首先，針對一般用途的DC-DC，TI發(fā)布了新一代單通道DC-DC轉(zhuǎn)換器TPS62240、TPS62260、TPS62290等，它們采用了更高的頻率—2.25MHz和更小的2×2或TSOT23(為和上一代兼容而設(shè))封裝，這使得整個方案面積只有上一代的一半，更特別的是，靜態(tài)電流降到了15μA。

針對智能手機的應(yīng)用處理器，TI率先發(fā)布了TPS62400系列雙DC-DC，它帶有1線總線控制，可以動態(tài)地改變核電壓。兩路DC-DC處于同頻反相狀態(tài)，輸入紋波電流互相填補，大大減弱了EMI帶來的影響。

便攜產(chǎn)品的DC-DC絕大部分可以工作在100%占空比下，這時的效率往往接近100%。標(biāo)示95%最高還是97%最高僅僅是測試條件不相同。

TI最近發(fā)布的絕大部分DC-DC產(chǎn)品在用戶實際使用環(huán)境下，從負(fù)載1mA到滿載，效率幾乎全在90%以上，為使用者提供了最大的電池續(xù)航時間。

PWM/PFM結(jié)合，DC-DC工作于雙模式

安森美半導(dǎo)體中國區(qū)銷售副總裁林劍銘

多媒體處理、藍(lán)牙、WLAN、GPS越來越多復(fù)雜的功能加入到手機中，每一種新功能都會帶來額外的電力消耗。在手機的電路里，電源管理通常由功率管理單元(PMU或PMIC)來完成。然而，每款PMU都是針對特定芯片平臺優(yōu)化的，這意味著它很可能難以滿足越來越多額外的供電需求。因此我們會看到很多智能手機會用到額外的電源管理器件。

采用線性調(diào)整器(LDO)可以設(shè)計出簡單便宜的供電系統(tǒng)。然而，用于實現(xiàn)新功能的處理器多是耗電大戶。它們的核電壓低至1V左右，消耗電流動不動就幾百毫安。如果使用LDO，其低效率將會耗掉可觀的電池容量，同時給手機帶來嚴(yán)重的散熱問題。在這種情況下，DC-DC成為處理器核供電的唯一可行的選擇。

針對處理器供電的需求，安森美半導(dǎo)體的系列降壓DC-DC產(chǎn)品全部采用集成FET的同步整流技術(shù)以提高效率、方便設(shè)計同時節(jié)省PCB占用空間。為了盡可能提高效率，該系列產(chǎn)品采用了PWM/PFM結(jié)合，在中、重負(fù)載，DC-DC工作在PWM模式，在輕負(fù)載時自動轉(zhuǎn)換到PFM模式。

在安森美半導(dǎo)體產(chǎn)品中，NCP1521B(1.5MHz，600mA)、NCP1529(1.7MHz, 1A)、NCP1522B (3MHz，600mA)是單輸出降壓轉(zhuǎn)換器，效率高達(dá)95%以上。除單輸出DC-DC外，NCP1526集成一顆3MHz，400mA DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器及一顆低噪聲LDO。其中DC-DC用于核電壓供電；LDO用于噪聲敏感設(shè)備(如PA)供電；NCP1526非常適合手機電視處理器應(yīng)用。

NCP1532是雙輸出2.25MHz降壓轉(zhuǎn)換器，每一路可輸出高達(dá)1A電流。雙輸出降壓轉(zhuǎn)換器適合復(fù)雜的高電流消耗的處理器系統(tǒng)，例如X-scale供電。

國內(nèi)DC-DC應(yīng)用受MTK平臺制約，要放眼全球

卓芯微電子市場部經(jīng)理孫連鋒

DC-DC轉(zhuǎn)換器的特點非常適合未來便攜產(chǎn)品的設(shè)計需求，特別是智能手機等中高端產(chǎn)品，它需要在以下幾方面進(jìn)行提升：

1. 不斷提高效率。
2. 不斷減少電感的尺寸：基于優(yōu)化DC-DC的周邊電路，節(jié)省空間，降低電感的成本，需要進(jìn)一步提高DC-DC的工作頻率。
3. 降低反饋電壓：當(dāng)前的應(yīng)用存在著越來越低的輸出電壓需求，降低反饋電壓成為未來設(shè)計的潛在需求。

從國內(nèi)手機的設(shè)計發(fā)展來看，DC-DC應(yīng)用受到MTK方案的制約，發(fā)展緩慢。但是如果站在全球手機設(shè)計發(fā)展的平臺上來看，狀況將會不同，主要表現(xiàn)在以下幾方面：

1. 越是高端的平臺，越是可以進(jìn)行二次開發(fā)移植的平臺，其對于電源設(shè)計越會展現(xiàn)多樣性。如TI平臺，其對于DC-DC有很多應(yīng)用的需求。
2. 手機功能的不斷增加，以及數(shù)據(jù)處理的不斷增強都使DC-DC應(yīng)用不斷增加。
3. 在要求低輸出電壓，大電流輸出時，DC-DC是有效的選擇。

從中高端的智能手機角度來看，DC-DC將會僅次于PMU，成為最為重要的電源管理器件。

我們堅信國內(nèi)手機設(shè)計公司在不久的將來一定會跨越當(dāng)前的設(shè)計壁壘，突破當(dāng)前手機設(shè)計單一化，標(biāo)準(zhǔn)化的模式，因此我們一直關(guān)注，并且致力于手機DC-DC的發(fā)展。目前，卓芯微電子可提供多款降壓及升壓DC-DC。

手機電源管理芯片需要低功耗和低成本

長運通國際集團總經(jīng)理古道雄

古道雄：DC-DC要求輸出電壓紋波更小、噪聲更小以及工作頻率更高，這樣外部可以采用較小的電感電容。

智能手機對其供電管理的電源單元提出了新的要求。以DC-DC為例，要求功耗更低，效率更高，最好是較寬輸入電壓和負(fù)載電流情況下效率達(dá)90~98%；要求輸出電壓范圍更廣；輸出電壓紋波更小、噪聲更小以及工作頻率更高，這樣外部可以采用較小的電感電容等。除此之外，還有多通道輸出的要求。

智能手機中常用的電源管理IC有PMU、DC-DC以及LDO，三者將在整個系統(tǒng)中優(yōu)勢互補并長期共存。PMU將主要對系統(tǒng)中主要模塊進(jìn)行電源管理，此芯片比較專用，兼容性較差。它主要對系統(tǒng)主芯片進(jìn)行電源管理，將是系統(tǒng)的電源核心。DC-DC轉(zhuǎn)換器對主芯片以外的電源部分提供了一種高效率電源管理器件，主要用于較大電流部分使用。但它還是有尺寸、噪聲和開關(guān)損耗較大的問題。最佳的DC-DC轉(zhuǎn)換器必須在工作頻率和封裝尺寸之間找到一個理想的平衡點。LDO的優(yōu)勢在于信噪抑制比高、體積小。在要求便攜設(shè)備布局布線的限制、對噪聲敏感的應(yīng)用(像RF模塊、照相模塊)上有其它IC無法代替的地位。

目前來看，雖然PMU都是由國際手機平臺大廠供應(yīng)，但應(yīng)該看到的是手機電源管理芯片市場的巨大容量和不斷增長的需求。手機電源管理芯片需要低功耗低成本，以DC-DC為例，在轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90%以上后，價格就變成一個非常重要的選擇因素，因此作為國內(nèi)的電源管理器件設(shè)計公司也還是有很多機會的。以我們長運通來說，我們已經(jīng)擁有了全部PMU中的各個電源管理控制電路產(chǎn)品模塊，包括LDO、同步升壓DC-DC、同步降壓DC-DC、背光驅(qū)動、鋰電充電控制等等。

比如CYT3400為同步升壓IC，CYT3406為同步降壓IC，二者都具有靜態(tài)電流小，轉(zhuǎn)換效率高等優(yōu)勢，輸出電流達(dá)600mA以上。CYT3400封裝為SOT23-6；CYT3406封裝為SOT23-5。

今年我們還將推出輸出電壓低至0.8V，輸出電流800mA的雙通道的DC-DC產(chǎn)品；同步整流96%效率的升降壓轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品，其靜態(tài)工作電流只有30μA；以及同步整流600mA的DC-DC加上一個250mA LDO、帶POWER OK功能的雙通道電源管理產(chǎn)品。下一步我們還將積極針對智能手機的特種需求配合方案設(shè)計公司共同定義一些專用的PMU系列產(chǎn)品。

市場替代效應(yīng)明顯，電源IC廠商小者恒小

茂達(dá)電子副理陳春全

多媒體移動裝置耗能主要來自面板與白光LED，因此產(chǎn)品設(shè)計主要以改善面板耗電及白光LED省電方式為主要發(fā)展方向，以提升電壓穩(wěn)定度、提高電源IC工作效率為目標(biāo)，產(chǎn)品設(shè)計重點關(guān)注于以下幾個方面：小封裝、低耗流、降低靜態(tài)電壓、提高切換頻率效能、低噪聲并可延長電池壽命。

針對未來商機而言，電源IC產(chǎn)業(yè)將面臨的挑戰(zhàn)是大電流/低輸出電壓應(yīng)用、電源轉(zhuǎn)換效率提升以及電源管理功能、整合電路設(shè)計、產(chǎn)品散熱解決方案、新小型封裝or SIP、信賴性生產(chǎn)等，雖為挑戰(zhàn)，卻也是電源IC廠商所擁有的機會。

在市場替代效應(yīng)下，低端市場競爭激烈，高端市場進(jìn)入不易，導(dǎo)致電源IC產(chǎn)業(yè)走向大者恒大、小者恒小的趨勢；再者為求提升解決方案的完整性及客戶掌握度，同業(yè)間積極尋求策略聯(lián)盟或合并以取得更大商機亦是趨勢。

臺灣地區(qū)IC設(shè)計廠商如何避免進(jìn)入價格廝殺的窘境？產(chǎn)品應(yīng)用設(shè)計將朝向整合(SIP/SOC)方向發(fā)展，如何與主芯片供貨商策略合作？其次如工藝的改善、高壓制程來源的開發(fā)、還有銷售渠道的整合等等皆是電源IC廠商所面臨的課題。茂達(dá)電子憑借累積多年努力的基礎(chǔ)及現(xiàn)有產(chǎn)品線及應(yīng)用面具足的條件，將順勢而起。

茂達(dá)電子是一家經(jīng)驗豐富的電源模擬IC設(shè)計公司，成立于1997年，產(chǎn)品線包括電源轉(zhuǎn)換及電源管理IC、放大器及驅(qū)動IC及離散式功率組件三大類，以移動多媒體產(chǎn)品為重點。

以1.2美元的價格提供高集成度PMU

Active Semi市場部經(jīng)理龔志

龔志：PMU里都集成了一些開關(guān)控制和I2C管理，可以方便開關(guān)和動態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓部分。

首先我們要考慮提高器件的效率—高效的DC-DC、低壓差的LDO是我們首先要考慮的。降低器件的本身損耗后，我們要想還有什么辦法降低能耗？某些功能模塊不用時關(guān)閉它，這一定是個很好的選擇。同時我們知道現(xiàn)在很多處理器都有睡眠模式，通過降低或關(guān)斷CORE電壓來實現(xiàn)，還有一些更節(jié)電的方式，如同時降低或關(guān)掉某些存儲器與PLL的電壓來進(jìn)入深度睡眠。這樣的情況下PMU開始體現(xiàn)優(yōu)勢，PMU里都集成了一些開關(guān)控制和I2C管理，可以方便開關(guān)和動態(tài)調(diào)節(jié)輸出電壓部分。

Active Semi一直非常專注于Modem+AP市場，隨著單芯片GSM平臺(All-in-one)和AP越來越成熟，未來智能手機市場也會越來越普及。

2007年3月我們推出一款PMU——ACT8740，它集成Charger +1DC-DC+3 RF LDO+W-LED驅(qū)動，采用4×4mm 24pin DFN封裝, 非常方便應(yīng)用于這個市場。在設(shè)計中我們通過一些特別的技術(shù)來提高PWM的效率(DC-DC做到95%效率，W-LED部分可以做到90%效率)，同時內(nèi)部集成電源管理的部分無需增加任何外圍器件，對于一些大客戶的報價僅1.2美元。

2007年8月，我們根據(jù)一些客戶反饋需要增加了更多的功能模塊，推出了ACT5830，該產(chǎn)品集成了Charger(LDO mode)+DC-DC+5 LDO+3 RF LDO+2 Open drain switch，采用5×5mm 40pin DFN封裝。同樣在做到高效率的同時，加強了充電部分的功能，在電池不占位時，充電部分可轉(zhuǎn)化為線性供電給整個系統(tǒng)。同時我們增加了2個開關(guān)驅(qū)動供給手持特別應(yīng)用。對于一些大客戶的報價只有1.4美元。

顯示技術(shù)進(jìn)步對DC-DC的要求

理光微電子(上海)有限公司董事大久保秀

大久保秀：以有機EL為代表的新型顯示器件和觸摸屏對DC-DC提出新要求。

智能手機和多模式手機系統(tǒng)在功能完善上正不斷進(jìn)步，低功耗小型化的電源IC成為不可或缺的產(chǎn)品。此外，AV功能的高性能化以及以有機EL為代表的新型顯示器件、觸摸屏等也得到了廣泛應(yīng)用。

APU/MP所用的DC-DC對工作狀態(tài)時的效率、高速應(yīng)答特性，以及頻率的高速化的要求正逐漸提高。顯示用電源IC對擁有有機EL支持的要求在增加。PM-OLED使用的升壓DC-DC、AM-OLED使用的升壓和反向(負(fù)電壓)DC-DC也必不可少。

下面以代表性的單一功能DC-DC轉(zhuǎn)換器為例，向大家介紹APU/MP用的降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器和顯示用的DC-DC轉(zhuǎn)換器。

APU/MP用的DC-DC轉(zhuǎn)換器代表性產(chǎn)品RP500，500mA?級，頻率1.2MHz降壓同期整流轉(zhuǎn)換器，0-> 400mA的瞬態(tài)響應(yīng)特性的反應(yīng)時間在10微秒以下。在上述特性下我們還能夠提供非常小的1.29×0.87(WL-CSP)封裝。

白光LED背光驅(qū)動的升壓轉(zhuǎn)換器的代表產(chǎn)品是R1218，它實現(xiàn)了內(nèi)置FET，二極管的小型化，并且其工作效率達(dá)到了創(chuàng)新水平(白光LED4個串聯(lián)，使用內(nèi)置二極管的條件下大約是85%的效率)。CCD、AMOLED使用的復(fù)合電源(升壓反向兩種模式)的代表產(chǎn)品是R1283，不僅內(nèi)置了FET，同時也內(nèi)置了這兩個系統(tǒng)的上電時序。此外，PM-OLED使用、高速調(diào)光使用、劃時代AM-OLED使用的產(chǎn)品都將在今年內(nèi)問世。

適用于多個主流平臺的射頻LDO

圣邦微電子有限公司產(chǎn)品線經(jīng)理呂亮

PMU、DC-DC以及LDO在電子設(shè)備中扮演不同的角色。PMU在有限的體積內(nèi)集成了盡可能多的電源通道，根據(jù)各個子單元的需求，或提供高效率的供電，或提供低噪聲的干凈電源，或者是系統(tǒng)必須的上電時序控制，成為為系統(tǒng)供電的首選；DC-DC可以根據(jù)功能單元的需求，提供自由、高效的電源供應(yīng)，在智能手機中成為不可或缺的部分；LDO作為線性電源的標(biāo)桿，在低壓系統(tǒng)中，無論是音頻、射頻等需要高PSRR(電源噪聲抑制比)性能的應(yīng)用，還是在存儲器、鎖相環(huán)等需要高精度的應(yīng)用，或是鍵盤燈、液晶屏需要低成本抑制干擾的應(yīng)用都可以看到它的身影，LDO是必不可少的電源供應(yīng)者。

圣邦微電子在公司IC的規(guī)劃中，很早就定位了各種便攜產(chǎn)品易用的產(chǎn)品：例如得到廣大手機用戶廣泛應(yīng)用的通用LDO(SGM2014、SGM2015)、射頻LDO(SGM2006、SGM2007)；高端智能手機、GPS手機、MDTV手機、DSC中應(yīng)用的多通道DC-DC，例如5通道DC-DC(SGM2101)、7通道DC-DC(SGM2100)；各種數(shù)碼產(chǎn)品中應(yīng)用的升降壓DC-DC(SGM3406、SGM3400)。

以LDO為例，SGM2007系列作為射頻LDO的代表，在MTK、Infenion、NXP、Spreadtrum、ADI等多個平臺的射頻部分得到驗證，完全滿足射頻部分高PSRR(73dB at 1kHz)，低相位差，快速啟動(小于20S)，瞬態(tài)響應(yīng)性能好，電流驅(qū)動能力大(300mA)的要求,輸出噪聲低(小于30VRMS)。

為滿足便攜產(chǎn)品靈活設(shè)計的需要，公司未來會推出單路升降壓DC-DC，例如SGM3406、SGM3400。

PMU價格偏貴，DC-DC更靈活

上海韋爾半導(dǎo)體股份有限公司副總裁馬劍秋

從目前智能手機的架構(gòu)來看，除了TI的OMAP平臺使用內(nèi)建GSM處理的CPU之外，其他都是以AP加通信模塊的方式來實現(xiàn)。為此，手機PMU的功能僅表現(xiàn)為處理通信模塊，而作為主處理器的AP，由于其核心工作電壓低，工作電流大，如何提高電源轉(zhuǎn)換的效率變得極為重要，否則，除了損耗大以外，發(fā)熱問題也將嚴(yán)重影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性。應(yīng)用要求不僅在正常輸出時DC-DC器件有很好的效率，在器件輕載時也要求器件提供足夠的效率。除此之外，不斷提高電池壽命的需求使客戶對靜態(tài)電流的要求越來越苛刻。

作為專門針對某個AP平臺設(shè)計的PMU，其針對性強，應(yīng)用簡單。但無可避免的就是價格相對較高，應(yīng)用不夠靈活，DC-DC效率相對低。DC-DC作為分立方案提供者，設(shè)計靈活，對于具體的應(yīng)用可以做到很高的效率，而且性價比好，是設(shè)計者最常用的應(yīng)用方式，缺點是電路復(fù)雜；LDO則應(yīng)用在輸入輸出壓差較小，且工作電流比較小的場合，而且價格最便宜。韋爾半導(dǎo)體作為模擬電路主要供應(yīng)商之一，針對以上應(yīng)用提供三種方案：

1. 可調(diào)輸出的DC-DC，這樣電路簡單，可以統(tǒng)一使用一個型號，缺點是對某些輸出電壓的效率不高。對于1.8V以上的輸出電壓，最高效率可以達(dá)到95%，輕載效率不小于80%。
2. 1.2V固定輸出的DC-DC，應(yīng)用簡單，對于1.2V輸出效率可以做到最高。
3. 1.2V輸出的LDO，對于1.2V的工作電壓，如果工作電流比較小(小于50mA)，用LDO是一種低成本的方案，由于總體功耗不大，這種應(yīng)用也有一定的市場。