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高级无线手持终端的电源管理构架

作者:时间:2012-07-31来源:网络

 在市场份额的争夺战中,手机供应商始终面临着巨大压力,因为他们需要不断创新并继续为 3G 移动提供比以前任何时候都要丰富的功能。而另一方面,在享受其个人通信设备具有的更强功能的同时,消费者还要求这些功能能够适用于越来越小的产品尺寸中,且电池持续工作的时间要更长。这种需求迫使 IC 厂商在更低电压的节点上将尽量多的功能集成在更少的 IC 上,以解决空间和功耗的问题。然而,系统集成实际上会增加设计的复杂性,并会降低设计的灵活性。高度集成的 IC 功能可能造成电路板布线的问题,并产生外部组件布置过密的问题。使用“一体化” IC,就会使厂商手机平台上的特色化空间所剩无几。为了开发具有竞争力的产品,移动设计人员需要集成式构件块,而且还需要能有效优化电池使用、延长电池寿命以及实现设计差异化的灵活性。这就要求结合使用高度集成的单元以及高性能的分立组件,以最高效的方法解决电池转换以及系统等问题。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/176600.htm

  集成与板面布局问题

  多功能 3G 手机需支持多频段调制解调器连接,如 GSM 和 CDMA 等。但是,在 WiFi“热点”、蓝牙附件和USB连接盛行的时代,消费者希望能够以各种可能的方式将其手机及小型设备连接到网络,而“不间断”导航的需求则需要 GPS 定位功能。如今,手机的数字拍照功能向数码相机的质量提出了挑战,而当今市面上的手机产品基本都具备这种功能。这就需要先进的摄像引擎和高亮度闪光灯来实现高质量摄影。另外,当今 3G 网络的带宽已经使可视电话成为可能。此外,高速应用与图形处理器具有进行 MPEG 音频及视频解码的处理能力。实际上,手机变成了一个音视频播放器以及游戏机的集合体。随着新型媒体格式的出现,手机上也拥有调频电广播及数字电视调谐器功能,从而大幅增加了其娱乐的价值。随着数据吞吐能力的提高,也对高密度存储能力提出了要求,这可以通过内存扩展槽或微型硬盘驱动器实现。为了说明这种复杂性,图 1 阐述了 3G 的可能系统

3G 手持终端的可能系统构架


  我们可以想象,在一个小型手持设备上实现所有上述功能需要集成适合的高性能模拟与数字组件。但是,在集成时需要考虑的是,手机的外形尺寸会对电子组件的布局产生影响。而且,并非每款手机都提供同样的功能集,因此我们需要回答的问题是:需要集成哪些组件才能实现在成本、设计复杂性及灵活性等方面的“优化”集成。

  一种方法是,将用于调制解调器及应用处理器、音频子系统与接口组件的标准电源块集成在一起,以使所有采用相同基础芯片组的不同手机平台和手机供应商能够共享。但是,存在两个主要的固有挑战。首先,出于市场营销的考虑,手机可根据所需功能及人机工程学要求采用多种不同的设计,如可以设计成糖果条、翻盖或滑盖的外形——分别采用不同的显示、键区及扬声器配置。这些设计的差异会对显示屏背光、摄像头模块以及其他系统的位置产生重要影响。因此,这很显然限制了组件的集成度。在某些情况下,电源或音频功能的“一体化”集成将意味着很长的印刷电路板布线,随之引发的噪音增加将加大电路板布局或电子设计的难度。第二,手机制造商希望通过低成本的产品组合管理向市场高效提供各种型号的手机。由于顾客的偏好及购买力存在差异,制造商必须提供不同功能等级和性能的产品,零售定价各不相同。因此,功能不同的型号价格也将各异,这样才能实现利润最大化。这就限制了将所有功能集成在同一个大型 IC 上。如果某些款式不需要某个特定的功能,该功能及其电源将不包括在设计中,因此也降低了成本。而且,采用相同基础调制解调器与应用处理器芯片组的不同手机供应商,仍然需要在手机产品组合上实现不同于竞争对手的特色功能。这也推动了各种主要差异化功能的后期集成 (de-integration),比如亮度更强的闪光灯、高保真立体声音频性能,专用显示屏、键区背光效果以及超高速充电功能等。

  物理限制因素:电源及封装

  电源的首要考虑因素是电能的来源:电池。基本上,百分之百的 3G 手机都使用锂离子 (Li-Ion)电池,这种电池在当今所有商业销售的可充电化学电池中能量密度最高。大多数电池尺寸约为 60mm×40mm×6mm,电量 900 mAh ~1500 mAh。有些功能极多的手机可能要求电量达 3000 mAh 的大容量电池。虽然燃料电池技术可以提供的能量密度比锂离子电池高的多,但由于技术及管制上的原因,其普及将在数年之后。这就是说,设计工程师们将面临一个关键的设计参数:限制在 2000 mAh 左右的电量范围。此外,电子设计还面临另一个关键因素:封装。电池与显示屏的大小、用户界面的复杂度与 设计的人机功能学等事项均决定了手机的可用空间和外形,从而决定了可用于印刷电路板的空间。

  这就是说,工程师在设计先进的无线设备时面临一个基本难题:电池的可用能量受到其物理尺寸与化学性质的限制,而可用能量决定了电池的能量密度,因此也决定了能为应用提供的电源预算。而在不久的将来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装中,并且封装还在持续缩小。由于这些参数的变化,设计师必须更高效地使用电池,以满足消费者对待机及运行时间的要求。这些设计限制将最终推动数字与模拟半导体技术转向更低功耗,同时还将推动高效电池使用技术的发展。

  分立电源组件选择

  为了最大限度地优化电源管理和最大限度地延长电池使用寿命,需要考虑三个方面的设计问题:首先,电池管理必须解决充电及电量监测的问题;第二,电源转换应尽可能地提高电池转换效率,为系统组件供电;第三,用来分析处理器域中实际功耗并控制电源的系统电源管理必须优化使用电池能量。第一和第二个问题可以通过选择电源管理组件加以具体解决,而第三个问题则涉及处理软件的大量开发工作。

  图 1 中展示了一系列非集成式电源组件,它们用来为手机中的特色组件提供电源。这些组件有的包含电池充电器、用于有机 LED 及 TFT 显示屏的发光管理器件,或高效而小型的高频 DC/DC 转换器。在集成方面,在大多数情况下,随着销量的增加以及功能的标准化,首先集成的应是那些受消费者欢迎的成熟功能。性能更强、效率更高的前沿模拟半导体技术一般用于先进的高端设备,这些设备处于销量曲线的初始点,并具备丰富的功能。下面阐述的是,在设计分立电源管理组件时需考虑的一些因素。



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