下一代電源管理面臨的挑戰及發展趨勢

    未來的手機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重大課題。結合中國手機產品的研發趨勢，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電源|穩壓器管理面臨的挑戰與相應的新技術和解決方案，并提供了一些降低電路功耗及噪聲的設計思路。

    近兩年中國手機市場的兩大特點是：由于終端用戶市場還看不到對3G應用的迫切需求，3G商業化部署和運行前景仍不明朗;手機更新換代首次成為這一市場的主要增長動力，新的用戶增長已經減緩，電信服務運營商需要為現有用戶提供更多的新服務來增加營收和擴大市場份額，如短信、電子郵件、彩屏顯示、網上沖浪、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的電源設計和管理提出了極大的挑戰，這主要是因為多功能帶來的高功耗大幅降低了鋰電池的工作壽命，如使用手機進行網上沖浪時很可能一二個小時手機就沒電了，而電池工作時間又是最終用戶最關注的指標之一。

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

    位于射頻部分的發送功率放大器是手機中最耗電的元件，最大峰值電流差不多要達到1A，在典型的應用情景下，它幾乎要消耗一半的手機電池能量。因此，對設計工程師來說，這部分要特別加以關注。目前手機功放元件市場仍以砷化鎵HBT占主導地位，但未來采用增強型準晶高電子遷移率晶體管(E-pHEMT)技術的功率放大器將可能成為手機功放的新選擇。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節技術來解決溫度漂移問題，避免了在HBT技術中采用的限流電阻，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手機中得到大規模的應用。

    射頻收發器也是射頻部分的一個大功耗元件，在發送或接收狀態下，其消耗的電流約在50到100 mA之間。除了耗電以外，收發器還為設計工程師帶來了另外一大挑戰，那就是從手機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器的整體性能。因此，設計工程師應當將收發器的電源很好地隔離開來以解決潛在的噪聲問題。

    手機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行頻率來進一步降低，如動態電壓頻率變換技術可以根據工作狀態調整處理器的工作時鐘和工作電壓。此外，選擇合適的降壓轉換器也對降低系統整體功耗有很大幫助，一般來說，LDO DC/DC轉換器靜態電流低，較適合用于輸入輸出電壓相差不大的應用場合，開關模式DC/DC轉換器功率轉換效率高，較適合于輸入輸出電壓相差較大的應用場合。由于未來手機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展，如最近安森美就針對手機市場推出了兩款高集成度的電源管理專用ASIC NCP4110，NCP4110可同時提供七個LDO和一個同步降壓型轉換器。

    隨著手機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，音頻電路所產生的功耗增加，優化音頻電路的低功耗設計也成為延長電池使用時間的一個重要方面。手機應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，一般的應用中采用LDO來提供音頻放大器電源以實現最低的PSRR，這將產生LDO通道的功率損耗。根據對功放器件接通和關斷時所產生的頻譜進行分析，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的標準配置，而彩屏要求提供白色led背光。通常情況下，一個LCD彩屏的均勻背光需要3到4個或更多的二極管，智能手機可能需要6個或更多。由于游戲功能和無線接入功能需要長時間的背光照明，因此背光功耗也是手機功耗的一個重要組成部分。從技術上講，要實現均勻的白色LED背光通常要帶來兩大設計挑戰：一是二極管正向電壓要達到3-4V(與鋰電池要同)，因此需要一個升壓轉換器;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換器，前者的優點是需要的外部零件少而且不需要包含穩壓電路，缺點是輸出電流有限制，后者的優點是可產生較高輸出電流和穩壓輸出，缺點是需要較多外部零件、需要更大pcb板面積和產生較大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壓架構。

    在外置式手機充電器/適配器部分，開關型變壓器正在迅速取代傳統的笨重的線性變壓器，因為高頻開關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。安森美半導體公司亞太區模擬集成電路產品經理陳柏勛指出：“為充電器/適配器應用開發的任何開關電源都需要一個起隔離作用的開關變壓器。”充電器應用的一個關鍵要求是安全性，而變壓器可將很高的AC電壓與很低的便攜式設備的充電電壓隔離開來，它的主要作用是防止雷擊。