下一代手机电源管理面临挑战与设计趋势

未来的手机会集成更多需要耗电的功能或特性，如何延长电池使用寿命成为一项重大课题。结合中国手机产品的研发趋势，本文将从射频、基带、背光、音频放大、充电器等方面探讨下一代手机电源管理面临的挑战与相应的新技术和解决方案，并提供了一些降低电路功耗及噪声的设计思路。

　　近两年中国手机市场的两大特点是：由于终端用户市场还看不到对3G应用的迫切需求，3G商业化部署和运行前景仍不明朗;手机更新换代首次成为这一市场的主要增长动力，新的用户增长已经减缓，电信服务运营商需要为现有用户提供更多的新服务来增加营收和扩大市场份额，如短信、电子邮件、彩屏显示、网上冲浪、多和弦铃声、音乐、游戏、影像、新闻和体育快讯等。这么多功能的集成对手机的电源设计和管理提出了极大的挑战，这主要是因为多功能带来的高功耗大幅降低了锂电池的工作寿命，如使用手机进行网上冲浪时很可能一二个小时手机就没电了，而电池工作时间又是最终用户最关注的指标之一。

　　在目前新的高能电池技术(如燃料电池)仍不成熟的情况下，下一代手机的电源管理便只能从提高电源利用率和降低功耗这二个方面着手。原则上讲，我们可以通过尽可能多地利用功率转换效率较高的AC/DC或DC/DC开关电源转换器尽可能地降低电源电压和采用动态电压调整等技术或方法来尽可能地延长手机电池的工作寿命。下面我们将从射频、基带、背光、音频放大、充电器等五个方面来讨论下一代手机电源管理面临的挑战与设计趋势。

　　位于射频部分的发送功率放大器是手机中最耗电的元件，最大峰值电流差不多要达到1A，在典型的应用情景下，它几乎要消耗一半的手机电池能量。因此，对设计工程师来说，这部分要特别加以关注。目前手机功放元件市场仍以砷化镓HBT占主导地位，但未来采用增强型准晶高电子迁移率晶体管(E-pHEMT)技术的功率放大器将可能成为手机功放的新选择。该类器件的工作电压可低至2V，而且由于采用了一种自动调节技术来解决温度漂移问题，避免了在HBT技术中采用的限流电阻，因此该类芯片能有效地降低射频部分的功耗。典型情况下，采用E-pHEMT技术的功放可以将电池使用寿命提高近15%。该类器件未来有望在CDMA/GSM手机中得到大规模的应用。

　　射频收发器也是射频部分的一个大功耗元件，在发送或接收状态下，其消耗的电流约在50到100 mA之间。除了耗电以外，收发器还为设计工程师带来了另外一大挑战，那就是从手机中其它元器件的电源处接收到的噪声可以极大地影响收发器的整体性能。因此，设计工程师应当将收发器的电源很好地隔离开来以解决潜在的噪声问题。

　　手机基带器件是除功放外功耗最大的地方。通常这部分的功耗可以通过降低工作电压和运行频率来进一步降低，如动态电压频率变换技术可以根据工作状态调整处理器的工作时钟和工作电压。此外，选择合适的降压转换器也对降低系统整体功耗有很大帮助，一般来说，LDO DC/DC转换器静态电流低，较适合用于输入输出电压相差不大的应用场合，开关模式DC/DC转换器功率转换效率高，较适合于输入输出电压相差较大的应用场合。由于未来手机各种功能模块需要的工作电压不尽相同，因此未来的电源管理芯片肯定是朝着多输出电压、高输出电流和高集成度的方向发展，如最近安森美就针对手机市场推出了两款高集成度的电源管理专用ASIC NCP4110，NCP4110可同时提供七个LDO和一个同步降压型转换器。

　　随着手机增加更多的音频功能，如MP3播放、多和弦铃声和FM广播等功能，音频电路所产生的功耗增加，优化音频电路的低功耗设计也成为延长电池使用时间的一个重要方面。手机应用要求音频器件具有较好的噪声抑制(PSRR)、高功效、低工作电压和最少的外围无源器件，一般的应用中采用LDO来提供音频放大器电源以实现最低的PSRR，这将产生LDO通道的功率损耗。根据对功放器件接通和关断时所产生的频谱进行分析，如果音频放大器的PSRR可以提高到超过60dB，则可以去除LDO，从而可有效降低音频电路功耗。

　　彩屏显示正成为下一代手机的标准配置，而彩屏要求提供白色LED背光。通常情况下，一个LCD彩屏的均匀背光需要3到4个或更多的二极管，智能手机可能需要6个或更多。由于游戏功能和无线接入功能需要长时间的背光照明，因此背光功耗也是手机功耗的一个重要组成部分。从技术上讲，要实现均匀的白色LED背光通常要带来两大设计挑战：一是二极管正向电压要达到3-4V(与锂电池要同)，因此需要一个升压转换器;二是必须控制二极管电流，以保持均匀的亮度及颜色纯度。目前两种常用的升压方案是电荷泵和电感升压转换器，前者的优点是需要的外部零件少而且不需要包含稳压电路，缺点是输出电流有限制，后者的优点是可产生较高输出电流和稳压输出，缺点是需要较多外部零件、需要更大PCB板面积和产生较大EMI。此外，为保持均匀亮度和颜色纯度，必须控制二极管电流差小于10%，目前主要采用电流控制稳压架构。

　　在外置式手机充电器/适配器部分，开关型变压器正在迅速取代传统的笨重的线性变压器，因为高频开关变压器与线性变压器相比不仅重量非常轻，而且体积也要小很多。安森美半导体公司亚太区模拟集成电路产品经理陈柏勋指出："为充电器/适配器应用开发的任何开关电源都需要一个起隔离作用的开关变压器。"充电器应用的一个关键要求是安全性，而变压器可将很高的AC电压与很低的便携式设备的充电电压隔离开来，它的主要作用是防止雷击。