3G手机电源管理分割方案

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频DC/DC内核电源、驱动相机闪光灯白光LED的高性能DC/DC升压驱动器、带OLED电源的白光LED背光驱动器、次显示屏以及具有超低电源抑制比(PSRR)的线性稳压器等。在进行大部分集成时，首先要集成消费者喜欢的一些已有特性，而具有更高性能和效率的领先模拟半导体技术，包括经过优化的分立电源管理器件等，将随付运量的增加及功能的标准化而逐渐被越来越多地集成。

图3：驱动高亮度相机闪光灯LED的高效率升压DC/DC转换器。

为进一步优化电源管理并尽量延长电池工作时间，必须考虑以下三个重要方面的问题。首先，电池管理必须能处理电池充电及电量测量。其次，电源转换必须尽可能高效地将电池功率转换为系统元件可用的功率。第三，用于分析处理器的实际电源消耗并控制多个电源的系统电源管理，必须对电池的使用进行优化。前两个问题可通过选择合适的电源管理器件来专门解决，而第三个问题则与主要处理软件的开发有关。

在电池管理中，电池“电量计”正变得日益流行。传统上，电池电量通常用以下方法来测量：先测量锂离子电池的电压，然后利用存储在存储器中的电量查找表，查出可用的电池电量。该方法基于特定锂离子电池的电压-电量查找表，但由于3G手机的电源消耗特性很复杂，并且锂离子电池的性能随时间、温度及负载条件而变化，所以这种方法并不可行。为精确测量剩余的电池电量以便让处理器更好地管理手机的电源消耗，人们采用具有“阻抗跟踪”能力、可测量进出电池的实际电荷的高性能库仑计，这将使处理器可有效地运行在电池节省模式、精确地计算出电池耗尽的时间，并在需要充电的时候向终端用户发出警告等。图2显示的库伦计被集成在电池组中，并通过I²C通信接口向主处理器发送电池参数。

在电源转换领域，DC/DC转换器在为LED驱动与处理器内核电源提供高效率的供电解决方案上扮演着越来越重要的角色。为提高数码照像与视频会议的性能，CMOS与CCD传感器的分辨率在不断提高。随着传感器的分辨率不断提高，要拍出高质量照片就需要更亮的光，这又将需要相机闪光灯更亮的解决方案。当照相手机的分辨率大于100万像素时，至少需要50勒克斯的亮度才能拍出高质量照片。而目前许多手机所能提供的闪光灯亮度都比这低，其闪光灯白光LED的驱动电流还不到100mA，这种设计实际上并不能改善照片质量。为真正地改善照片质量，需要用将近1A的电流驱动高功率白光LED，而使用电荷泵是难以提供1A的电流，因为此时的电池电流将达到2A，将超出系统为此类功能预留的任何电池功率预算。为解决电池电流过大的问题，图3给出的高效率DC/DC升压转换器，可为相机闪光灯应用的白光LED提供高达700mA的电流。

图4：小型封装的高频3MHz DC/DC转换器。

手机中的几个子系统可能还需要精确的内核电压。线性稳压器通常被认为是一种用于电压调整的小尺寸、低成本解决方案，但当电流大于200mA时，由于电源损耗过高，它们将开始需要既占空间又价格昂贵的散热片。电源损耗的产生是由于供电时存在较大的输入-输出电压差，此电压差与输出电流的乘积便等于电源损耗，例如，从3.6V锂离子电池上得到1.2V/500mA内核电压。当线性稳压器以33%的效率进行稳压，并消耗大量电池功率、产生大量热量的时候，DC/DC转换器却能以高于90%的效率很好地工作，而且只消耗LDO功耗的一小部分。

采用最先进的模拟工艺与设计技术的最新一代DC/DC转换器具有几个可节省空间的特性。图4是一种可提供高达500mA内核电流的超小型、高精度DC/DC降压转换器。因为集成了两个开关晶体管，所以该电路仅需一个电感和两个小电容。独特的控制架构可使电源对负载瞬变做出快速反应，并保持±1(的高电压调整精度(这正是如今高性能处理内核所要求的)。3MHz的开关频率可使电感大小减少至仅为1uH，从而允许使用高度小于1mm的薄型芯片电感。这种器件还提供芯片级封装，IC尺寸可减小至2×1mm，因此整个解决方案可被构建成安装在5×5mm²大小的空间里。为进一步减少电源消耗，高级DC/DC稳压器还具有自动的脉冲频率调制(PFM)/脉宽调制(PWM)模式转换功能，以尽量提高宽负载范围内的转换效率。在轻负载情况下，转换器工作于PFM模式，而当负载电流大于50mA时，则采用PWM控制，这样便可以80%至90%的效率提供1.8V/500mA的内核电源。

本文小结

电源与其它模拟器件的集成是不可避免的，其关键在于选择那些已发展成为标准并被多种手机平台采用的功能。推动功能差异化的领先技术一般首先应用在可进行特性定制的分立元件中，这对消费者及手机系列型号管理非常重要。总之，电源管理器件正继续在尺寸、效率及电源消耗方面挑战自身极限，并在减小手机的外形尺寸与重量方面扮演重要角色。