浅谈智能手机电源管理解决方案趋势与展望

　　作为手机基础芯片的电源管理单元就像一部发动机，驱使智能手机在3G的高速公路上飞驰。虽然现有的电源拓扑方案能满足当前应用需求，但已慢慢接近技术与器件的瓶颈，亟需突破。

　　如今的智能手机能够满足用户越来越高的要求，比如更大的显示屏、更多的传感器、更快速度的无线连接方式、更强大的数据处理能力以及更时尚的云端服务等等，而高清和3D视频播放、Flash界面、WiFi无线上网更是成为智能手机的必备功能，所以要求移动处理器能够提供更强的处理能力、更快的处理速度。现在处理器能够运行主频达到1.5GHz甚至2GHz以上，这样势必对电源管理能力提出了更大的挑战。第一，需要更高的效率，延长手持终端接入网络服务的时间；第二，需要的功率密度更大，以满足终端更大的功率需求；第三，拥有双核、四核甚至更多核的处理器和更大的内存容量以实现多任务的强大应用功能，所以需要不同电压等级和上电时序，使得整个系统复杂化；第四，需要高度集成的电源解决方案，减少片外无源器件，使移动便携产品更加轻巧和紧凑；第五，需要更低的静态功耗，以实现更长的待机时间；第六，需要更低的核电压，降低核心芯片的片内功耗。针对电源管理新的发展方向和需求，下面将探讨几种新的适用于手机电源方案的buck、boost变换器拓扑，并对关键技术指标的发展趋势进行展望。

　　高频化的渴望与无奈

　　DC-DC变换器的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的好处就是使变换器空前地小型化甚至微型化，使得DC-DC变换器能够进入移动便携产品应用领域，推动移动产品的小型化与轻便化。变换器的微型化实质上就是尽可能减小其中储能元件体积，包括储能电感和滤波电容。此外，高频化还能够抑制干扰，改善系统的动态性能，满足由于核心芯片快速的数据处理以及高速网络的接入带来的对电源高品质、高性能的要求。因此，高频化是智能移动设备电源解决方案的主要发展方向之一。

　　但是，高频化带来产品和技术进步的同时，由于损耗产生的热管理难题一直是如影随行。变换器损耗主要来源于开关损耗和导通损耗，均直接和片内开关管有关。导通损耗与开关管的材料以及工艺有关，而开关损耗则由开关频率以及驱动电压等决定。由于智能手机核心芯片的主频不断升级换代，与之配合的电源芯片势必跟上这个趋势。但显而易见的是开关频率上升到一定的程度就会带来效率的恶化。因此，虽然高频化的愿望是美好的，但与之相比效率的恶化则是严峻的现实。如何让现实和美好的愿望完美统一？从下面的讨论中我们可以得到一点启示。

　　对高效率的不懈追求

　　DC-DC变换器的拓扑结构多种多样，但其功率损耗源基本包括在导通损耗、驱动损耗、分布电感开关损耗、与功率管开关时序有关的损耗、控制电路损耗以及线路损耗等方面，由于这些耗散源头的存在导致转换效率永远小于100%。尽管如此，人们总盼望能把效率提高，无限接近100%。为此，无论是从学术界还是产业界，都试图从控制技术、新的拓扑、新的工艺以及制程等方面获得突破，不仅提高峰值效率，还努力提高全范围的效率。对于智能移动应用领域而言，由于负载电流基本集中在1A以内，个别的负载模块所需要的电流目前保留在5A以内，所以提高这两种应用环境下的直流变换器的效率突破点不完全一样。如果输出功率不大，影响变换器效率主要在于静态损耗，包括控制、驱动、开关管通断切换损耗以及交流回路损耗等等；如果输出功率较大，则影响变换器效率主要在于开关管导通以及线路损耗。

　　诸如PFM技术、软开关技术以及多相交错并联等都可以提高变换器的效率。软开关技术的最大优点在于减少开关损耗、提高效率，并可大大减少电磁干扰，其基本思路是利用电感或电容等储能元件，在开关管开通和关断时将电压/电流转移或谐振到零，从而实现零电压或零电流开关，实现高效率的高频化。多相交错并联拓扑能在保持相同输出电压品质的前提下，降低变换器工作频率，从而从结构上优化效率；反之如果系统维持相同的工作频率，则大大优化变换器的输出纹波与动态性能。这里重点介绍多相交错并联拓扑的优势与特点。

　　低电压、大电流成必然趋势

3G智能终端的数据处理速度和响应性能日益提高，需要提供给处理芯片更大功率以满足其在功耗方面的要求。降低损耗一直是设计者追求的目标之一，传统的总线电压为3.3V，可通过优化电压等级的方式来克服由于主频的增加带来的损耗方面的影响。按照摩尔定律，每18个月芯片的集成度会增加2倍，因此很难断定电压会降低到何种程度为止。如果这种趋势无