未来智能手机的电源管理技术

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未来智能手机的电源管理技术
现代手机已经变成一个袖珍媒体中心，其中至少包含一个数字照相机(DSC)、一个具有3D游戏功能的彩色互联网浏览器、一个数字电视接收器、以及一个不仅具备高保真音频回放功能而且具备仿真5声道环绕声的MP3播放器。更新的照相手机将包括更高分辨率的照相机、闪卡和类似指纹传感器的个人安全装置。如何通过蜂窝电话电源管理技术将如此精巧复杂的移动设备的电池工作寿命保持15分钟以上，对任何人来说都是未来10年内最重大的工程挑战之一。
尽管在锂离子电池技术方面取得了一些进步，“但还是达不到你所要求的电量”TI便携设备电源管理组业务经理Dave Heacock抱怨道。美国国家半导体公司(NSC)负责便携式电源系统业务的副总裁Peter Henry也表示，目前可充电电池电量大约只有一根炸药能量的三分之一。
他认为，尽管燃料电池目前可能是增加便携电池包电能量的适当方法，但2010年前业界还很难将燃料电池安装到袖珍式便携设备中。TI的Heacock介绍道，更新的锂-聚合物电池尽管不一定能提供更大的功率密度，但将允许电池采用新的外形。虽然电池单元数的增长(每年50亿只)将鼓励专用嵌入式充电器和燃料计量电路的应用，但便携式电源管理的主要技术仍然集中在增加调压器效率的技术方面。
每一种功能都会消耗功率
Strategy Analytics预计，今年出货的6.7亿部手机中大约20%为照相手机，其中内嵌两个基于CCD的照相机：一个用来在室外美丽的景色中拍摄朋友或同伴的图像，另一个用来在讲电话时将自己的图像传送给对方。
照相手机的普及已经鼓励开发者将分辨率从适合于马马虎虎使用的1.3Mega像素增加到能够吸引旅游者和摄影爱好者的3.3到4.4Mega像素。为了支持更高的分辨率，照相手机需要配备自动聚焦机件和精巧的氙闪光灯或白色LED闪光灯。
对于新一代消费者，仅仅能够用彩色LCD屏幕巡游互联网和播放MP3音乐已经不够了。新的特色设计必须是能够播放媒体流的设备，不仅能够播放高保真音乐，而且能够播放多声道环绕立体声。而其LCD屏幕则必须能够变换其光强以表现3D视觉效果。在日本和韩国，手机将能够接收数字电视广播。当然这样的手机也必须具备通话功能，不论通话者在城市地铁中还是在室外都必须能够保持语音清晰。这样的便携式设备向开发者提出了一系列的工程挑战，而没有电源管理，这一切都是不可能实现的。
为手机装载一组消费类特性和功能对调压器的效率来说是一个挑战，调压器为处理音频、视频和图像的手机元件提供精确控制的电源电压。在某些情况下，调压器必须将电池的3.6V电压降到逻辑和I/O元件所要求的3.3V，或处理器内核所要求的1.8V或1.2V。
在另外一些情况下，调压器必须将电压提升到4.5V以驱动背光，提升到5V以驱动USB接口，提升到9V以驱动CCD照相模块，或瞬间提升到氙闪光灯所要求的4kV高压。在所有情况下，调压器不仅要避免电池过载，而且要避免在手机混乱而狭小的空间中产生过热。
便携式电源解决方案历史
多年来，手机的关键问题就是调压器的效率。调压器需要将由两节锂电池提供的3.6V电压转换成基带处理器所要求的3.3V电压。由于线性调压器(因其“低压降”性能现称为LDO)在电压输出端产生的噪声最小，而且手机设计人员也考虑到LDO极小的纹波可以避免噪声使手机微发射器产生的RF载波蠕变，因此线性调压器就更受设计人员欢迎。
虽然开关型调压器被认为是高效率器件，但其工作依赖于以高频通过开关MOSFET泵送电流的脉宽调制器(PWM)。设计人员需要滤除这个泵送过程在调压器输出端所产生的电流尖峰，虽然该项技术就提供更大电流而言比LDO更有效率，但会产生纹波，干扰对噪声敏感的手机RF电路。
(使用开关器件时，采用更小的像电感、电容这样的辅助元件就可以产生更高的频率，但开关的噪声水平也会更高。) 一些开关型调压器制造商如凌特有限公司(Linear Technology)开发出了能够在输出端产生最小纹波(或者确信能够轻易地滤除的纹波)的共振频率器件。该公司声称，这样的器件可使手机制造商从其调压器电路获得90%多的效率，而不产生影响RF输出信号的开关噪声。
开关调压器除了具有大电流负载下高效率的优点外，还具有一些线性调压器所没有的性能：它可以提升(或“放大”)近乎耗尽电池的电平。包括Vishay Siliconix和NSC在内的诸多厂商争论说，在要求先将3.6V的电池电压降到逻辑电路所要求的3.3V，然后当电池电压掉到3.0V或更低时再提升到3.3V这样一种情况下就需要升压开关调压器。
但是至少对于那些仅提供基本功能的手机而言，他们的争论只持续了很短的时间。TI的Dave Heacock说，类似于“库仑计数器”，当锂电池电压下降到3.3V以下时，就几乎没有什么电量可言了(大约小于10%)。他们争论说，升压调压器的效率虽然好，但仍没好到值得为再挤出数分钟的通话时间而这么做。更好的解决方法是：当电池电压低于3.3V时，就关掉手机。
白色LED热潮
当手机制造商为其手机配备新特性和功能时，局面完全发生了变化。创造了带彩色LCD屏幕手机需求的日本年轻消费者是该变化的推动者。手机制造商发现，价格下跌的白色发光二极管可以用作小型LCD屏幕的背光照明。
早期的白色发光二极管带来了两类电源管理问题。首先，早期的白色发光二极管需要一个4.5V的额定电压阈值以保证发光正常，而且第一代LED的质量不稳定。某些器件在4.5V电压下发光暗淡，而其它器件则特别明亮(可能存在过早烧尽的问题)。这样白色发光二极管制造商需要开发恒流调压器和驱动多个并联LED和串联LED的能力。
手机巨大的市场容量促使生产电源管理器件的模拟器件公司向市场提供了大量的白色LED驱动器。这些制造商包括Maxim Integrated Products、凌特、NSC、TI、Intersil、Vishay Siliconix、Fairchild和Catalyst半导体公司。
手机配备数字照相机模块会要求更高的电压，亦即要求配备更多的电压调节器。用于颜色相关、JEPG压缩和其它图像处理功能的DSP可以用低电压、低电流的1.8V或1.2V驱动(300mA电流源)。但是，用于图像捕获的电荷耦合器件(CCD)需要至少5V的驱动电压，这样就要求配备额外的升压调压器。
根据Fairchild公司产品战略规划师Nazzareno "Reno" Rossetti，手掌大小的DSC(130万像素)在拍照时消耗的功率大约为2W左右，在观看图像时的功率消耗可高达1.2W(2.4V电压/500mA电流），这样两节串联的700mA-小时可充电NiMH电池可以维持近1个小时的拍摄和观看时间。
大约两年前，手机及手持设备设计人员的关注重点突然从调压器效率问题转向其它问题。其中包括NSC和ADI公司在内的诸多制造商开始考虑用关闭或调低手持设备中央处理器的工作频率手段来控制功耗。其假设是微处理器的时钟越快，消耗的功率也就越多。
如果降低时钟频率和工作电压，事实上也就降低了功耗。“电压-频率缩放”技术监测中央处理器的处理任务(实际上是软件代码)，并指定它们的优先级。像视频流解码这样的任务可能需要大量的处理能力，器件将以最大的时钟频率运行，功率也被调节到能够提供最大的I/O操作。但是像电话装在口袋中时保持在待机状态这样简单的任务就几乎不需要处理器工作，仅用足够的电压刷新存储器就可以了。
NSC电源组营销总监Peter Henry注意到，不只是调压电路可以提供节能的机会，总线和接口元件对手机的功耗也有显著的影响。他评论说：“数据路径没有从功耗角度进行优化。采用电压-频率缩放技术，处理器不会关心电压是多少，而仅关心CPU时钟的传输延迟是多少。。。关注的重点不再是电压，而是时序。”他提醒说。
简单地关闭处理器与电源控制器之间的回路可以产生30%的节能效果。但实际上将时钟速度减慢一半，就可节省高达70%的电能。NSC已开发出ARM处理器电源调节电路，用于监测处理器的活动，在负载轻的情况下降低频率，甚至使其进入休眠状态。最近，NSC还为英特尔公司的PXA270 X级处理器开发了一款缩放器件。
采用电源管理SoC？
在手机中，一般有一块调压器专门负责为中央处理器和DSP供电，此外，还有一打独立调压器负责为外设提供降压/升压能力，这一现状促使像TI和Fairchild这样的模拟IC制造商提出这样一个问题，即手机制造商是否能够从一块定制电源管理IC(PMIC)中获益。PMIC是一种将调压器、电压监控器和电压控制器集成在一片IC上的ASIC器件。
一块定制PMIC可以减少调压器的使用量，节省线路板空间和降低制造成本。但是，一块PMIC的定制开发有可能会延误手机新产品的上市时间。而且除非使用量达到数千万只，否则采用数字ASIC所引起的成本下降在整体上而言并不显著。
Micrel半导体公司营销总监Tony O'Brien指出：“我们注意到，PMIC并不太受欢迎。”他指出，手机型号一年要变化三次或以上，而每一种型号都可能提供不同的功能配置，有些需要更多的功率控制功能，而其它则要求较少的功率控制。“尽管业界对整合调压器功能(即在一个封装中集成多个LDO)有点兴趣，但PMIC的不足是缺乏灵活性。”他说。
为了整合调压器功能，Micrel公司将提供集成两个和三个线性调压器的IC。Micrel事实上正在开发一种“低端PMIC”，该芯片将集成一块大电流开关调压器和两块LDO。Fairchild公司Reno Rossetti则认为，开发PMIC是否有意义取决于你的目标CPU-DSP媒体处理器内核。目前三种主流的手机架构是：基于ARM CPU的OMAP阵营（由诺基亚和摩托罗拉主导）、Qualcomm的CDMA合作伙伴（三星和Kyocera）和基于英特尔X-scale处理器的第三阵营(其用户包括三星、摩托罗拉和其它)。
OMAP阵营采用由TI和ST公司制造的DSP媒体处理器和集成了模拟基带处理器的PMIC。例如，在OAMP 的UMTS手机架构中，TBB5110基带处理器连接到闪存、SRAM、显示器、照相机和专用连接器(包括键盘和摇杆)。
TBB5110包含一个ARM呼叫处理器(人机接口)、语音处理器和基于TI C55x DSP的物理层编解码器。电源管理器件是ST公司的STw4200 PMIC。发射器和接收器是该款手机中唯一的其它大芯片。TI TCS2600 GSM/GPRS芯片组将该款手机的芯片数减少到三个：TRF6151 RF接收器、OAMP730应用处理器和包含电源管理单元的TWL3016模拟基带单元。
Qualcomm的CDMA手机采用像Qualcomm设计的PM6650这样的独立型PMIC。在某些日立、摩托罗拉和三星手机产品中采用的X-scale架构则依赖Dialog半导体公司定制的DA903x PMIC。根据由Portellligent公司提供的手机解析报告，PMIC常常不能全部支持12到18种独立的调压器功能。
例如，三星公司的SCH-V410 CMDA-2000 Camcorder手机是基于Qualcomm芯片组(包括一片PMIC)的，但仍然使用9个附加的调压电路，其中绝大部分LDO来自NSC、Micrel、Semtech、Maxim、Microchip和Ricoh。
苹果iPod例子
凌特公司曾被请求帮助为苹果计算机公司的iPod音乐播放器设计电源管理电路。iPod播放器是一款可在微型驱动器上存储数字音乐的MP3播放器，它的微型驱动器(由松下制造的30G容量的存储单元)是一个潜在的功率消耗能手。除了提供驱动耳机所需的动态范围(涉及到功率裕度)外，电源管理电路还必须在不迅速耗尽电池电能的情况下高效地驱动磁盘电机。
凌特公司的解决方案包括多达5块独立式调压器以及为完成最高效的电源管理工作而精心选择的多个构造块。凌特公司承认，虽然采用精心挑选的标准构造块可以使iPod更快地上市，但在iPod的后续生产中就几乎不使用凌特公司元件了。
事实上，由Portelligent完成的解析报告揭示，苹果公司选择的方案是将独立的调压器与飞利浦半导体公司制造的PCF50605功率控制和电池管理芯片集成在一起。尽管飞利浦公司在为更新式的迷你型iPod制造PMIC，但是凌特公司的LTC4055 USB功率管理及锂离子电池充电器芯片也出现在iPod的主板上。
架构变化
新一代 W-CDMA/UMTS手机要求采用线性RF功率放大器(PA)。NSC的Peter Henry解释道，这些元件的效率并不是特别高。在28dBm的最大功率输出下，其效率只有45%。大部分时间，这些元件都处于空闲状态，功率输出在0到12dbm之间，此时效率只有5%。