3G手机中的电源管理分割探讨

第三代(3G)手机可提供具有更多功能的各种特性。当消费者享用这些通信设备最新及更好功能的时候，他们还继续要求单个电池的工作时间更长、手机的外形尺寸更小。尽管IC集成可帮助解决尺寸问题，但同时也会增加设计复杂度并限制设计灵活性。当今的手机设计工程师必须考虑多种因素来有效地优化电池使用，以延长电池工作时间。因此，必须结合使用高度集成化的电源管理单元和高性能分立器件来进行电池管理、功率转换以及系统管理。

图1：3G手机的系统组成框图。

两难选择：功能与电池功率

当设计一款高级无线设备时，设计工程师将面临一个两难选择。一方面，他们需要将许多功能集成到一个通常由电池和显示屏的尺寸、复杂的用户接口和设计工程学所决定的特定外形尺寸中;另一方面，电池的可用能量取决于决定它们能量密度与物理尺寸的化学特征，这些不断变化的参数常常迫使设计工程师要更高效地使用电池功率，以满足消费者对待机时间和工作时间的要求。

如今的3G多功能手机能支持多个空中接口，不仅提供GSM、WCDMA等多波段调制解调器连接，还可通过蓝牙、无线LAN、红外以及USB接口进行其它连接。数码相机功能已成为许多手机的标准配置，它需要复杂的相机引擎和高发光度的闪光灯来拍摄高质量照片。随着数据传输速度的增加，手机的视频电话功能也有可能实现。此外，高速应用处理器还提供强大的音/视频处理能力，以支持数字电视(DTV)信号和MPEG音频编解码。更新型的手机还将增加FM无线电和数字电视调谐器以增加手机的娱乐价值。数据吞吐量的提高最终将需要高密度的存储容量，这可通过存储器扩展槽，甚至微型硬盘驱动器来实现。不难想象，这些无线设备大部分还将兼有便携式游戏设备的功能。

作为能量来源的电池在系统中占有重要地位。如今，几乎百分之百的3G手机都采用锂离子电池，这种电池是所有可充电化学电池中能量密度最高的。大多数电池的尺寸大约为50×40×5mm，容量在900mAh至1,200mAh之间。尽管燃料电池技术所能提供的能量密度将大大高于锂离子电池的能量密度，但由于技术与政策上的问题，预计还需数年时间燃料电池才能得到广泛应用。此外，锂离子电池技术有望逐步得到改进，其电池容量可能增加30(。因此，系统工程师基本上还会继续使用可提供大约1,500-1,800mAh容量的锂离子电池。

这种两难选择最终将驱动数字与模拟半导体技术转向下一个更低的功率节点，并推动超高效电池使用技术的发展。

集成与布局的问题

很显然，随着所有功能都被集成到一个尺寸相对较小的设备中，对一组合适的高性能模拟与数字器件进行集成变得非常必要。为强调这种集成的复杂性，图1给出了3G手机的主要系统架构。

图2：用于精确测量电池电量的电池电量计。

但问题是：需要使哪些器件集成并如何解决手机外形尺寸对器件布局的影响?一个显而易见的答案就是集成为基带处理器、音频子系统及接口器件供电的标准电源，这些标准电源为不同的手机平台和使用同样基本芯片组的手机供应商所采用。但这存在两个固有的重大挑战。

首先，工业设计上的考虑将允许根据所需功能和人类工程学、以多种不同方式设计手机。现在，电气设计需要考虑到手机可能被设计成棒状、蛤壳状或滑动式手机造型，它们都是采用不同的显示屏、键盘和扬声器配置。这些设计差异对如何放置显示背光、相机模块及其它子系统都有很大影响，而且在某种程度上还会限制这些元件的集成。有时候，电源或音频功能的"一体化"集成可能意味着更长的走线、复杂的电路板布局或由噪声带来的电气设计挑战。

其次，手机制造商需要对手机型号系列进行富有成本效益的管理。为了用不同的手机型号满足市场需求，手机制造商必须提供特性和性能水平不同的产品，而这些产品的价格也都不一样。要想在竞争激烈的市场中获得最高利润，这些手机的成本必须随功能而改变，而这将无法把每种功能都集成到一个大IC上。如果某个特性不是给定的手机型号所想要的，那么应从电路板上卸下这个特定功能及其电源，以减少成本。

此外，采用相同基本芯片组的手机制造商还需要使其产品有别于竞争对手的产品，这也促使不对各种主要特性进行集成以保持产品的差异化。产品差异化的典型例子可能包括(但不限于)：更亮的相机闪光灯、更强大的喷灯模式、D类立体声音频性能、特殊显示屏与键盘背光效果、MP3音频播放功能、FM无线电以及精确的电池电量计量等。

分立电源器件的选择

如图1所示，为不同子元件供电的典型非集成电源器件，可能是作为手机电池组一部分的电池电量计、效率高但体积小的高