高級無線手持終端的電源管理構(gòu)架

　在市場份額的爭奪戰(zhàn)中，手機供應(yīng)商始終面臨著巨大壓力，因為他們需要不斷創(chuàng)新并繼續(xù)為 3G 移動手持終端提供比以前任何時候都要豐富的功能。而另一方面，在享受其個人通信設(shè)備具有的更強功能的同時，消費者還要求這些功能能夠適用于越來越小的產(chǎn)品尺寸中，且電池持續(xù)工作的時間要更長。這種需求迫使 IC 廠商在更低電壓的節(jié)點上將盡量多的功能集成在更少的 IC 上，以解決空間和功耗的問題。然而，系統(tǒng)集成實際上會增加設(shè)計的復(fù)雜性，并會降低設(shè)計的靈活性。高度集成的 IC 功能可能造成電路板布線的問題，并產(chǎn)生外部組件布置過密的問題。使用“一體化” IC，就會使廠商手機平臺上的特色化空間所剩無幾。為了開發(fā)具有競爭力的產(chǎn)品，移動手持終端設(shè)計人員需要集成式構(gòu)件塊，而且還需要能有效優(yōu)化電池電源使用、延長電池壽命以及實現(xiàn)設(shè)計差異化的靈活性。這就要求結(jié)合使用高度集成的電源管理單元以及高性能的分立組件，以最高效的方法解決電池管理、電源轉(zhuǎn)換以及系統(tǒng)管理等問題。

　　集成與板面布局問題

　　多功能 3G 手機需支持多頻段調(diào)制解調(diào)器連接，如 GSM 和 CDMA 等。但是，在 WiFi“熱點”、藍牙附件和USB連接盛行的時代，消費者希望能夠以各種可能的方式將其手機及小型設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)，而“不間斷”導(dǎo)航的需求則需要 GPS 定位功能。如今，手機的數(shù)字拍照功能向數(shù)碼相機的質(zhì)量提出了挑戰(zhàn)，而當今市面上的手機產(chǎn)品基本都具備這種功能。這就需要先進的攝像引擎和高亮度閃光燈來實現(xiàn)高質(zhì)量攝影。另外，當今 3G 網(wǎng)絡(luò)的帶寬已經(jīng)使可視電話成為可能。此外，高速應(yīng)用與圖形處理器具有進行 MPEG 音頻及視頻解碼的處理能力。實際上，手機變成了一個音視頻播放器以及游戲機的集合體。隨著新型無線媒體格式的出現(xiàn)，手機上也擁有調(diào)頻無線電廣播及數(shù)字電視調(diào)諧器功能，從而大幅增加了其娛樂的價值。隨著數(shù)據(jù)吞吐能力的提高，也對高密度存儲能力提出了要求，這可以通過內(nèi)存擴展槽或微型硬盤驅(qū)動器實現(xiàn)。為了說明這種復(fù)雜性，圖 1 闡述了 3G 手持終端的可能系統(tǒng)構(gòu)架。

　　我們可以想象，在一個小型手持設(shè)備上實現(xiàn)所有上述功能需要集成適合的高性能模擬與數(shù)字組件。但是，在集成時需要考慮的是，手機的外形尺寸會對電子組件的布局產(chǎn)生影響。而且，并非每款手機都提供同樣的功能集，因此我們需要回答的問題是：需要集成哪些組件才能實現(xiàn)在成本、設(shè)計復(fù)雜性及靈活性等方面的“優(yōu)化”集成。

　　一種方法是，將用于調(diào)制解調(diào)器及應(yīng)用處理器、音頻子系統(tǒng)與接口組件的標準電源塊集成在一起，以使所有采用相同基礎(chǔ)芯片組的不同手機平臺和手機供應(yīng)商能夠共享。但是，存在兩個主要的固有挑戰(zhàn)。首先，出于市場營銷的考慮，手機可根據(jù)所需功能及人機工程學(xué)要求采用多種不同的設(shè)計，如可以設(shè)計成糖果條、翻蓋或滑蓋的外形——分別采用不同的顯示、鍵區(qū)及揚聲器配置。這些設(shè)計的差異會對顯示屏背光、攝像頭模塊以及其他系統(tǒng)的位置產(chǎn)生重要影響。因此，這很顯然限制了組件的集成度。在某些情況下，電源或音頻功能的“一體化”集成將意味著很長的印刷電路板布線，隨之引發(fā)的噪音增加將加大電路板布局或電子設(shè)計的難度。第二，手機制造商希望通過低成本的產(chǎn)品組合管理向市場高效提供各種型號的手機。由于顧客的偏好及購買力存在差異，制造商必須提供不同功能等級和性能的產(chǎn)品，零售定價各不相同。因此，功能不同的型號價格也將各異，這樣才能實現(xiàn)利潤最大化。這就限制了將所有功能集成在同一個大型 IC 上。如果某些款式不需要某個特定的功能，該功能及其電源將不包括在設(shè)計中，因此也降低了成本。而且，采用相同基礎(chǔ)無線調(diào)制解調(diào)器與應(yīng)用處理器芯片組的不同手機供應(yīng)商，仍然需要在手機產(chǎn)品組合上實現(xiàn)不同于競爭對手的特色功能。這也推動了各種主要差異化功能的后期集成 (de-integration)，比如亮度更強的閃光燈、高保真立體聲音頻性能，專用顯示屏、鍵區(qū)背光效果以及超高速充電功能等。

　　物理限制因素：電源及封裝

　　電源的首要考慮因素是電能的來源：電池?；旧希俜种俚?3G 手機都使用鋰離子 (Li-Ion)電池，這種電池在當今所有商業(yè)銷售的可充電化學(xué)電池中能量密度最高。大多數(shù)電池尺寸約為 60mm×40mm×6mm，電量 900 mAh ~1500 mAh。有些功能極多的手機可能要求電量達 3000 mAh 的大容量電池。雖然燃料電池技術(shù)可以提供的能量密度比鋰離子電池高的多，但由于技術(shù)及管制上的原因，其普及將在數(shù)年之后。這就是說，設(shè)計工程師們將面臨一個關(guān)鍵的設(shè)計參數(shù)：限制在 2000 mAh 左右的電量范圍。此外，電子設(shè)計還面臨另一個關(guān)鍵因素：封裝。電池與顯示屏的大小、用戶界面的復(fù)雜度與 設(shè)計的人機功能學(xué)等事項均決定了手機的可用空間和外形，從而決定了可用于印刷電路板的空間。

　　這就是說，工程師在設(shè)計先進的無線設(shè)備時面臨一個基本難題：電池的可用能量受到其物理尺寸與化學(xué)性質(zhì)的限制，而可用能量決定了電池的能量密度，因此也決定了能為應(yīng)用提供的電源預(yù)算。而在不久的將來不大可能大幅度提高可用能量。而且，大量功能需要配置在既定的封裝中，并且封裝還在持續(xù)縮小。由于這些參數(shù)的變化，設(shè)計師必須更高效地使用電池，以滿足消費者對待機及運行時間的要求。這些設(shè)計限制將最終推動數(shù)字與模擬半導(dǎo)體技術(shù)轉(zhuǎn)向更低功耗，同時還將推動高效電池使用技術(shù)的發(fā)展。

　　分立電源組件選擇

　　為了最大限度地優(yōu)化電源管理和最大限度地延長電池使用壽命，需要考慮三個方面的設(shè)計問題：首先，電池管理必須解決充電及電量監(jiān)測的問題；第二，電源轉(zhuǎn)換應(yīng)盡可能地提高電池轉(zhuǎn)換效率，為系統(tǒng)組件供電；第三，用來分析處理器域中實際功耗并控制電源的系統(tǒng)電源管理必須優(yōu)化使用電池能量。第一和第二個問題可以通過選擇電源管理組件加以具體解決，而第三個問題則涉及處理軟件的大量開發(fā)工作。

　　圖 1 中展示了一系列非集成式電源組件，它們用來為手機中的特色組件提供電源。這些組件有的包含電池充電器、用于有機 LED 及 TFT 顯示屏的發(fā)光管理器件，或高效而小型的高頻 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。在集成方面，在大多數(shù)情況下，隨著銷量的增加以及功能的標準化，首先集成的應(yīng)是那些受消費者歡迎的成熟功能。性能更強、效率更高的前沿模擬半導(dǎo)體技術(shù)一般用于先進的高端設(shè)備，這些設(shè)備處于銷量曲線的初始點，并具備豐富的功能。下面闡述的是，在設(shè)計分立電源管理組件時需考慮的一些因素。