多媒體手機(jī)的電源管理分析

手機(jī)電視、手機(jī)游戲以及音頻播放等多媒體應(yīng)用向手機(jī)中的電源管理設(shè)計(jì)提出了巨大的挑戰(zhàn)。手機(jī)設(shè)計(jì)人員需要在加入新的多媒體功能的同時(shí)，保持手機(jī)小巧的外形并維持電池的長壽命。新應(yīng)用處理器提供了出色的新功能，但代價(jià)是功耗更高。新的AV功能意味著音樂回放時(shí)間更長，由此音頻放大的效率必需更高，從而延長回放時(shí)間。而且，當(dāng)手機(jī)上的AV功能變得更成熟時(shí)，音頻質(zhì)量和輸出功率的要求也會更高。在本文中，我們討論了一些解決方案，可以幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對這些與新型多媒體手機(jī)電源和音頻放大有關(guān)的挑戰(zhàn)。 


新應(yīng)用處理器的電源 

為了使手機(jī)外形小巧，使用集成電源管理單元(PMU)是非常普遍的。PMU的優(yōu)點(diǎn)是簡化了電源設(shè)計(jì)，而且與使用幾個(gè)分立元件電源解決方案相比，減小了解決方案的總體尺寸。但是，相反的是，多媒體功能的快速發(fā)展增加了獨(dú)立穩(wěn)壓器的使用。由于新應(yīng)用處理器增加了多媒體特性，所以現(xiàn)有的PMU不足以滿足其日益提高的電源要求。另一方面，手機(jī)開發(fā)的時(shí)間越來越短，使設(shè)計(jì)人員不能等待PMU的升級。因此，獨(dú)立穩(wěn)壓器被用于提供新手機(jī)所需的額外系統(tǒng)功率。 

除了考慮解決方案的成本因素外，選擇獨(dú)立穩(wěn)壓器最重要的三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是(不同設(shè)計(jì)的優(yōu)先考慮因素不同)：1. 低噪聲：穩(wěn)壓不能產(chǎn)生干擾周圍射頻系統(tǒng)的噪聲或EMI。2. 功耗低：這意味著完全工作時(shí)效率高，且在輕載和待機(jī)狀態(tài)下電流小。3. 解決方案尺寸小(大小和高度)：穩(wěn)壓器必需在一個(gè)高度低的封裝內(nèi)，而且外部無源元件也要細(xì)小。 

同步步降轉(zhuǎn)換器的功耗 

新處理器的理想穩(wěn)壓器是DC/DC步降轉(zhuǎn)換器，其電源效率高(超過90%)，因此對板的散熱也較小。圖1顯示了集成了MPEG-4編解碼器的手機(jī)平臺系統(tǒng)框圖。同步步降轉(zhuǎn)換器NCP1521用于提供芯片組的芯核電壓和I/O電路的電源電壓。內(nèi)置同步整流器后，此降壓轉(zhuǎn)換器不需要外部肖特基二極管，它提供了優(yōu)異的效率，完全工作時(shí)效率范圍在90%到96%之間。它提供的可調(diào)電壓在0.9V和3.3V之間，輸出電流高達(dá)600mA。 
 


  
在手機(jī)中，當(dāng)微處理器長期處于待機(jī)狀態(tài)，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入輕載區(qū)域，效率將降到90%以下。為了降低長期待機(jī)時(shí)的功耗，NCP1521提供了一種解決方案，可以自動從高頻PWM轉(zhuǎn)換到脈沖頻率模式(PFM)，其開關(guān)頻率與負(fù)載成正比，因此在輕載情況下產(chǎn)生的功耗較小。  

尺寸小的解決方案  

為了減小解決方案總體尺寸，新的降壓轉(zhuǎn)換器使用的開關(guān)頻率在1MHz和2MHz之間。為了展示開關(guān)頻率的效果，我們采用市場上的1MHz步降轉(zhuǎn)換器，它使用優(yōu)化的L-C濾波器值：L=10uH，Cout=10uF。對開關(guān)頻率為1.5MHz的NCP1521，它要求的輸出濾波器為：L=2.2uH，Cout=10uF。同樣地，振蕩頻率為3MHz的NCP1522，優(yōu)化的L-C濾波器值是L=2.2uH，Cout=4.7uF。結(jié)果總結(jié)如表所示。 
 

  表1：L-C濾波器值與轉(zhuǎn)換器開關(guān)頻率的比較

這一比較表明，開關(guān)頻率越高，所需的電感和輸出電容越小，因此解決方案的總體尺寸也越小。在PCB空間高度受限的多媒體手機(jī)設(shè)計(jì)中，建議采用開關(guān)頻率較高的NCP1522，以減小解決方案尺寸，并降低無源元件的成本。 

引腳尺寸為3x3的SOT23-5是目前同步步降轉(zhuǎn)換器的業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)封裝。但市場上有更小的封裝選擇(如芯片級和DFN封裝)，以滿足設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步降低解決方案尺寸的需求。 

進(jìn)一步的集成：降壓和LDO集成在一個(gè)封裝中 

從上述內(nèi)容中，我們已經(jīng)看到，芯核電壓低、功率需求高的新應(yīng)用處理器最好使用DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器供電。另一方面，輸入電壓高達(dá)2.8V到3.3V的射頻敏感的模擬電路大多數(shù)依然由低噪聲LDO供電。帶降壓轉(zhuǎn)換器和低噪聲LDO的集成功率集成電路(NCP1526)，為作為歐洲市場數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)的DVB-H或具DMB啟動的手機(jī)提供了靈活緊湊的解決方案。 

多媒體手機(jī)中的音頻回放挑戰(zhàn) 

便攜式多媒體功能向手機(jī)中的音頻放大提出了兩大挑戰(zhàn)。首先，多媒體手機(jī)需要持續(xù)2小時(shí)以上的音樂和視頻回放；其次，手機(jī)上的音頻體驗(yàn)將接近家庭音像系統(tǒng)。手機(jī)音頻回放可以得到清晰、立體和帶重低音的強(qiáng)大音頻。 

目前主流的手機(jī)揚(yáng)聲器由AB類音頻放大器驅(qū)動。當(dāng)MP3成為流行應(yīng)用，且回放時(shí)間從幾分鐘增加到幾小時(shí)以后，效率低和散熱差的AB類放大器再也不能符合要求。因此越來越多的新設(shè)計(jì)采用了D類音頻放大器。

中等價(jià)錢手機(jī)的音頻放大功耗一般低于100mW。最大輸出功率可達(dá)500mW。如圖2所示，我們可以比較一個(gè)典型的AB類和一個(gè)D類音頻放大器NCP2820。在50mW時(shí)，NCP2820的效率為80%，而AB類僅為20%。對于100mW和500mW之間更高的功率工作范圍，D類依然提供穩(wěn)定的85%到90%的效率，但是AB類依然很低，位于30%和60%之間。這清楚地表明，D類放大器的出色效率，有助于延長音頻回放時(shí)間。 
 
   
                       圖2：AB類和D類音頻放大器(NCP2820)的效率

由于效率低且散熱高，AB類放大器不能無飽和或無失真地提供高于1W的輸出功率。而D類放大器在開關(guān)狀態(tài)下工作，所以它放大音頻信號的效率高，因此可以提供更大的輸出功率，以支持大容量音頻回放。 

對于NCP2820，它能夠?yàn)橐粋€(gè)8歐姆揚(yáng)聲器提供最高為1.4W的功率，而將THD+N依然保持低于1%。由于揚(yáng)聲器輸出響應(yīng)對低頻信號進(jìn)行衰減，所以額外的功率有助于提升低音聲音——這在音樂和游戲音頻回放中是重要的。 

對于立體聲4歐姆揚(yáng)聲器這種在MP3播放器中常見的附件，輸入電壓為5V的NCP2820最高可以為每個(gè)通道提供2.56W。在這種情況下，建議用5V至5.5V的恒定電壓為放大器供電，以確保恒定的大輸出功率。DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器NCP1422提供5V的恒定電壓，為立體聲應(yīng)用中的2個(gè)D類放大器供電。 

D類放大器設(shè)計(jì)中的EMI考慮因素

在恒頻PWM開關(guān)狀態(tài)下工作的D類放大器可能產(chǎn)生對同一板上射頻工作有干擾的EMI。兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)有助防止EMI干擾射頻系統(tǒng)。首先，D類放大器應(yīng)該放置在非常接近揚(yáng)聲器的地方。在立體聲應(yīng)用中，建議采用2個(gè)單聲道放大器，使設(shè)計(jì)人員可以將2個(gè)放大器放在手機(jī)兩端的2個(gè)揚(yáng)聲器旁邊。除此以外，設(shè)計(jì)人員也應(yīng)該在放大器的輸出部位連接一個(gè)EMI濾波器，如鐵氧體磁珠。EMI濾波器作為帶通濾波器，可以在開關(guān)信號沿著導(dǎo)線傳播到射頻電路之前將其消除。