iPhone为何用固定电池?业界专家谈智能手机的电源管理策略

2011-07-27 18:47:06来源: 互联网 关键字:iphone  固定  电池  业界

    手机正在逐步与多种数码产品进行功能融合,例如DSC、MP4、移动TV、Pocket PC、WiFi、GPS等,随之带来的是系统对供电电源的强烈渴望。电池容量从数百毫安时变成现在数千毫安时,在这种情况下,如何更有效地利用有限的电量,提升产品的待机、工作时间?DC-DC作为目前IC行业高效利用能源的典范,在手机中的应用越来越广泛。作为低压小体积嵌入式系统的代表,手机对DC-DC的尺寸、厚度、外围器件的复杂度、转换效率、输出纹波、静态电流、启动时间都有着明确的要求,尺寸也越来越小。

“DFN/SOT/CSP封装是手机目前使用的DC-DC的主流;各种负载状态下的高效率是选用器件的根本;输出纹波、启动时间则随着功能单元的需求而定;静态电流则决定了器件的应用范围以及效率的高低。”圣邦微电子有限公司产品线经理吕亮表示。

“智能手机开机往往要很长时间,为了加快反应,一般关机仅仅使手机进入深度睡眠,实现所谓‘1秒开机’。像iPhone更是不惜舍弃更换电池的方便,把电池固定在主板上,就是为了实现快速启动。然而这样的待机设计对DC-DC的静态电流就提出了苛刻的要求。”德州仪器中国区高性能模拟产品业务开发经理张洪为指出。

虽然PMU、DC-DC以及LDO目前在智能手机的管理中各负其责,但是DC-DC以其灵活性和高效率仍扮演着重要的角色。本期我们邀请了众多业内电源管理专家,他们就智能手机未来发展所需要的电源管理策略发表了精辟看法,并介绍了一些最新产品。

智能手机电源管理的三大挑战

德州仪器中国区高性能模拟产品业务开发经理张洪为

张洪为:iPhone不惜舍弃更换电池的方便,把电池固定在主板上,就是为了实现快速启动。

智能手机增加了若干路电源的需求如Vcore、DDR2内存等,复杂性大大增加;外部模块的大量引入,也加大了系统的待机功耗和消耗电流,电池的续航成为设计挑战。总的来看,DC-DC有三个新需求:

1. 更小的体积。在纤薄的设计中塞入更多的部件,如GPS模组、蓝牙模组、自动对焦摄像模组等等,体积变成最苛刻的要求之一。

2. 更低的静态电流。iPhone不惜舍弃更换电池的方便,把电池固定在主板上,就是为了实现快速启动。然而这样的待机设计对DC-DC的静态电流就提出了苛刻的要求,典型情况在20μA/通道以下。

电源产品需要尽可能降低静态电流,一般好的DC-DC静态耗电(专指无负载状态/正常电压输出,而不是指处于关断模式/无电压输出)只有15μA左右,差的往往到150μA~800μA。这里需要强调指出的是LDO,大家对DC-DC非常关注,对LDO的静态电流关注不够。由于对低噪声追求,一般LDO的静态电流往往比DC-DC大得多,通常在80~150μA左右,这样的LDO如果有5个,对待机时间的影响最大会有10~20%,这是最容易解决但也是最容易被忽视的地方。

3. 核电压Vcore需要随频率动态调整。进行桌面管理时,CPU 50MHz的频率就已绰绰有余,播放D1视频解压缩则需要以最快速度600MHz或更高的速度工作。当然不同状态下的功耗也相差若干倍,为了解决这样的挑战,动态调整Vcore变成智能手机成功的一个关键。TI提出的SmartReflex技术在Class3时可以实现基于硬件的自适应电压频率调整,在Class2时可以实现基于软件的电压频率调整,可完整地解决最大性能和最小功耗的矛盾。对于非TI处理器,TI的DC-DC或PMU一样可以软件或硬件方式实现核电压的动态调整。

至于LDO,在智能手机中它有时仅仅作为负载开关来使用,因此往往对其性能要求不高;但是如果需要给WiFi、GPS、蓝牙等模块供电时,则需要低噪声,高电源抑制比的LDO。

基于以上三个挑战,TI不断推出新一代的产品。首先,针对一般用途的DC-DC,TI发布了新一代单通道DC-DC转换器TPS62240、TPS62260、TPS62290等,它们采用了更高的频率—2.25MHz和更小的2×2或TSOT23(为和上一代兼容而设)封装,这使得整个方案面积只有上一代的一半,更特别的是,静态电流降到了15μA。

针对智能手机的应用处理器,TI率先发布了TPS62400系列双DC-DC,它带有1线总线控制,可以动态地改变核电压。两路DC-DC处于同频反相状态,输入纹波电流互相填补,大大减弱了EMI带来的影响。

便携产品的DC-DC绝大部分可以工作在100%占空比下,这时的效率往往接近100%。标示95%最高还是97%最高仅仅是测试条件不相同。

TI最近发布的绝大部分DC-DC产品在用户实际使用环境下,从负载1mA到满载,效率几乎全在90%以上,为使用者提供了最大的电池续航时间。

PWM/PFM结合,DC-DC工作于双模式

安森美半导体中国区销售副总裁林剑铭

多媒体处理、蓝牙、WLAN、GPS越来越多复杂的功能加入到手机中,每一种新功能都会带来额外的电力消耗。在手机的电路里,电源管理通常由功率管理单元(PMU或PMIC)来完成。然而,每款PMU都是针对特定芯片平台优化的,这意味着它很可能难以满足越来越多额外的供电需求。因此我们会看到很多智能手机会用到额外的电源管理器件。

采用线性调整器(LDO)可以设计出简单便宜的供电系统。然而,用于实现新功能的处理器多是耗电大户。它们的核电压低至1V左右,消耗电流动不动就几百毫安。如果使用LDO,其低效率将会耗掉可观的电池容量,同时给手机带来严重的散热问题。在这种情况下,DC-DC成为处理器核供电的唯一可行的选择。

针对处理器供电的需求,安森美半导体的系列降压DC-DC产品全部采用集成FET的同步整流技术以提高效率、方便设计同时节省PCB占用空间。为了尽可能提高效率,该系列产品采用了PWM/PFM结合,在中、重负载,DC-DC工作在PWM模式,在轻负载时自动转换到PFM模式。

在安森美半导体产品中,NCP1521B(1.5MHz,600mA)、NCP1529(1.7MHz, 1A)、NCP1522B (3MHz,600mA)是单输出降压转换器,效率高达95%以上。除单输出DC-DC外,NCP1526集成一颗3MHz,400mA DC-DC降压转换器及一颗低噪声LDO。其中DC-DC用于核电压供电;LDO用于噪声敏感设备(如PA)供电;NCP1526非常适合手机电视处理器应用。

NCP1532是双输出2.25MHz降压转换器,每一路可输出高达1A电流。双输出降压转换器适合复杂的高电流消耗的处理器系统,例如X-scale供电。

国内DC-DC应用受MTK平台制约,要放眼全球

卓芯微电子市场部经理孙连锋

DC-DC转换器的特点非常适合未来便携产品的设计需求,特别是智能手机等中高端产品,它需要在以下几方面进行提升:

1. 不断提高效率。
2. 不断减少电感的尺寸:基于优化DC-DC的周边电路,节省空间,降低电感的成本,需要进一步提高DC-DC的工作频率。
3. 降低反馈电压:当前的应用存在着越来越低的输出电压需求,降低反馈电压成为未来设计的潜在需求。

从国内手机的设计发展来看,DC-DC应用受到MTK方案的制约,发展缓慢。但是如果站在全球手机设计发展的平台上来看,状况将会不同,主要表现在以下几方面:

1. 越是高端的平台,越是可以进行二次开发移植的平台,其对于电源设计越会展现多样性。如TI平台,其对于DC-DC有很多应用的需求。
2. 手机功能的不断增加,以及数据处理的不断增强都使DC-DC应用不断增加。
3. 在要求低输出电压,大电流输出时,DC-DC是有效的选择。

从中高端的智能手机角度来看,DC-DC将会仅次于PMU,成为最为重要的电源管理器件。

我们坚信国内手机设计公司在不久的将来一定会跨越当前的设计壁垒,突破当前手机设计单一化,标准化的模式,因此我们一直关注,并且致力于手机DC-DC的发展。目前,卓芯微电子可提供多款降压及升压DC-DC。

手机电源管理芯片需要低功耗低成本

长运通国际集团总经理古道雄

古道雄:DC-DC要求输出电压纹波更小、噪声更小以及工作频率更高,这样外部可以采用较小的电感电容。

智能手机对其供电管理的电源单元提出了新的要求。以DC-DC为例,要求功耗更低,效率更高,最好是较宽输入电压和负载电流情况下效率达90~98%;要求输出电压范围更广;输出电压纹波更小、噪声更小以及工作频率更高,这样外部可以采用较小的电感电容等。除此之外,还有多通道输出的要求。

智能手机中常用的电源管理IC有PMU、DC-DC以及LDO,三者将在整个系统中优势互补并长期共存。PMU将主要对系统中主要模块进行电源管理,此芯片比较专用,兼容性较差。它主要对系统主芯片进行电源管理,将是系统的电源核心。DC-DC转换器对主芯片以外的电源部分提供了一种高效率电源管理器件,主要用于较大电流部分使用。但它还是有尺寸、噪声和开关损耗较大的问题。最佳的DC-DC转换器必须在工作频率和封装尺寸之间找到一个理想的平衡点。LDO的优势在于信噪抑制比高、体积小。在要求便携设备布局布线的限制、对噪声敏感的应用(像RF模块、照相模块)上有其它IC无法代替的地位。

目前来看,虽然PMU都是由国际手机平台大厂供应,但应该看到的是手机电源管理芯片市场的巨大容量和不断增长的需求。手机电源管理芯片需要低功耗低成本,以DC-DC为例,在转换效率达到90%以上后,价格就变成一个非常重要的选择因素,因此作为国内的电源管理器件设计公司也还是有很多机会的。以我们长运通来说,我们已经拥有了全部PMU中的各个电源管理控制电路产品模块,包括LDO、同步升压DC-DC、同步降压DC-DC、背光驱动、锂电充电控制等等。

比如CYT3400为同步升压IC,CYT3406为同步降压IC,二者都具有静态电流小,转换效率高等优势,输出电流达600mA以上。CYT3400封装为SOT23-6;CYT3406封装为SOT23-5。

今年我们还将推出输出电压低至0.8V,输出电流800mA的双通道的DC-DC产品;同步整流96%效率的升降压转换器产品,其静态工作电流只有30μA;以及同步整流600mA的DC-DC加上一个250mA LDO、带POWER OK功能的双通道电源管理产品。下一步我们还将积极针对智能手机的特种需求配合方案设计公司共同定义一些专用的PMU系列产品。

市场替代效应明显,电源IC厂商小者恒小

茂达电子副理陈春全

多媒体移动装置耗能主要来自面板与白光LED,因此产品设计主要以改善面板耗电及白光LED省电方式为主要发展方向,以提升电压稳定度、提高电源IC工作效率为目标,产品设计重点关注于以下几个方面:小封装、低耗流、降低静态电压、提高切换频率效能、低噪声并可延长电池寿命。

针对未来商机而言,电源IC产业将面临的挑战是大电流/低输出电压应用、电源转换效率提升以及电源管理功能、整合电路设计、产品散热解决方案、新小型封装or SIP、信赖性生产等,虽为挑战,却也是电源IC厂商所拥有的机会。

在市场替代效应下,低端市场竞争激烈,高端市场进入不易,导致电源IC产业走向大者恒大、小者恒小的趋势;再者为求提升解决方案的完整性及客户掌握度,同业间积极寻求策略联盟或合并以取得更大商机亦是趋势。

台湾地区IC设计厂商如何避免进入价格厮杀的窘境?产品应用设计将朝向整合(SIP/SOC)方向发展,如何与主芯片供货商策略合作?其次如工艺的改善、高压制程来源的开发、还有销售渠道的整合等等皆是电源IC厂商所面临的课题。茂达电子凭借累积多年努力的基础及现有产品线及应用面具足的条件,将顺势而起。

茂达电子是一家经验丰富的电源模拟IC设计公司,成立于1997年,产品线包括电源转换及电源管理IC、放大器及驱动IC及离散式功率组件三大类,以移动多媒体产品为重点。

以1.2美元的价格提供高集成度PMU

Active Semi市场部经理龚志

龚志:PMU里都集成了一些开关控制和I2C管理,可以方便开关和动态调节输出电压部分。

首先我们要考虑提高器件的效率—高效的DC-DC、低压差的LDO是我们首先要考虑的。降低器件的本身损耗后,我们要想还有什么办法降低能耗?某些功能模块不用时关闭它,这一定是个很好的选择。同时我们知道现在很多处理器都有睡眠模式,通过降低或关断CORE电压来实现,还有一些更节电的方式,如同时降低或关掉某些存储器与PLL的电压来进入深度睡眠。这样的情况下PMU开始体现优势,PMU里都集成了一些开关控制和I2C管理,可以方便开关和动态调节输出电压部分。

Active Semi一直非常专注于Modem+AP市场,随着单芯片GSM平台(All-in-one)和AP越来越成熟,未来智能手机市场也会越来越普及。

2007年3月我们推出一款PMU——ACT8740,它集成Charger +1DC-DC+3 RF LDO+W-LED驱动,采用4×4mm 24pin DFN封装, 非常方便应用于这个市场。在设计中我们通过一些特别的技术来提高PWM的效率(DC-DC做到95%效率,W-LED部分可以做到90%效率),同时内部集成电源管理的部分无需增加任何外围器件,对于一些大客户的报价仅1.2美元。

2007年8月,我们根据一些客户反馈需要增加了更多的功能模块,推出了ACT5830,该产品集成了Charger(LDO mode)+DC-DC+5 LDO+3 RF LDO+2 Open drain switch,采用5×5mm 40pin DFN封装。同样在做到高效率的同时,加强了充电部分的功能,在电池不占位时,充电部分可转化为线性供电给整个系统。同时我们增加了2个开关驱动供给手持特别应用。对于一些大客户的报价只有1.4美元。

显示技术进步对DC-DC的要求

理光微电子(上海)有限公司董事大久保秀

大久保秀:以有机EL为代表的新型显示器件和触摸屏对DC-DC提出新要求。

智能手机和多模式手机系统在功能完善上正不断进步,低功耗小型化的电源IC成为不可或缺的产品。此外,AV功能的高性能化以及以有机EL为代表的新型显示器件、触摸屏等也得到了广泛应用。

APU/MP所用的DC-DC对工作状态时的效率、高速应答特性,以及频率的高速化的要求正逐渐提高。显示用电源IC对拥有有机EL支持的要求在增加。PM-OLED使用的升压DC-DC、AM-OLED使用的升压和反向(负电压)DC-DC也必不可少。

下面以代表性的单一功能DC-DC转换器为例,向大家介绍APU/MP用的降压DC-DC转换器和显示用的DC-DC转换器。

APU/MP用的DC-DC转换器代表性产品RP500,500mA?级,频率1.2MHz降压同期整流转换器,0-> 400mA的瞬态响应特性的反应时间在10微秒以下。在上述特性下我们还能够提供非常小的1.29×0.87(WL-CSP)封装。

白光LED背光驱动的升压转换器的代表产品是R1218,它实现了内置FET,二极管的小型化,并且其工作效率达到了创新水平(白光LED4个串联,使用内置二极管的条件下大约是85%的效率)。CCD、AMOLED使用的复合电源(升压反向两种模式)的代表产品是R1283,不仅内置了FET,同时也内置了这两个系统的上电时序。此外,PM-OLED使用、高速调光使用、划时代AM-OLED使用的产品都将在今年内问世。

适用于多个主流平台的射频LDO

圣邦微电子有限公司产品线经理吕亮

PMU、DC-DC以及LDO在电子设备中扮演不同的角色。PMU在有限的体积内集成了尽可能多的电源通道,根据各个子单元的需求,或提供高效率的供电,或提供低噪声的干净电源,或者是系统必须的上电时序控制,成为为系统供电的首选;DC-DC可以根据功能单元的需求,提供自由、高效的电源供应,在智能手机中成为不可或缺的部分;LDO作为线性电源的标杆,在低压系统中,无论是音频、射频等需要高PSRR(电源噪声抑制比)性能的应用,还是在存储器、锁相环等需要高精度的应用,或是键盘灯、液晶屏需要低成本抑制干扰的应用都可以看到它的身影,LDO是必不可少的电源供应者。

圣邦微电子在公司IC的规划中,很早就定位了各种便携产品易用的产品:例如得到广大手机用户广泛应用的通用LDO(SGM2014、SGM2015)、射频LDO(SGM2006、SGM2007);高端智能手机、GPS手机、MDTV手机、DSC中应用的多通道DC-DC,例如5通道DC-DC(SGM2101)、7通道DC-DC(SGM2100);各种数码产品中应用的升降压DC-DC(SGM3406、SGM3400)。

以LDO为例,SGM2007系列作为射频LDO的代表,在MTK、Infenion、NXP、Spreadtrum、ADI等多个平台的射频部分得到验证,完全满足射频部分高PSRR(73dB at 1kHz),低相位差,快速启动(小于20S),瞬态响应性能好,电流驱动能力大(300mA)的要求,输出噪声低(小于30VRMS)。

为满足便携产品灵活设计的需要,公司未来会推出单路升降压DC-DC,例如SGM3406、SGM3400。

PMU价格偏贵,DC-DC更灵活

上海韦尔半导体股份有限公司副总裁马剑秋

从目前智能手机的架构来看,除了TI的OMAP平台使用内建GSM处理的CPU之外,其他都是以AP加通信模块的方式来实现。为此,手机PMU的功能仅表现为处理通信模块,而作为主处理器的AP,由于其核心工作电压低,工作电流大,如何提高电源转换的效率变得极为重要,否则,除了损耗大以外,发热问题也将严重影响系统的稳定性。应用要求不仅在正常输出时DC-DC器件有很好的效率,在器件轻载时也要求器件提供足够的效率。除此之外,不断提高电池寿命的需求使客户对静态电流的要求越来越苛刻。

作为专门针对某个AP平台设计的PMU,其针对性强,应用简单。但无可避免的就是价格相对较高,应用不够灵活,DC-DC效率相对低。DC-DC作为分立方案提供者,设计灵活,对于具体的应用可以做到很高的效率,而且性价比好,是设计者最常用的应用方式,缺点是电路复杂;LDO则应用在输入输出压差较小,且工作电流比较小的场合,而且价格最便宜。韦尔半导体作为模拟电路主要供应商之一,针对以上应用提供三种方案:

1. 可调输出的DC-DC,这样电路简单,可以统一使用一个型号,缺点是对某些输出电压的效率不高。对于1.8V以上的输出电压,最高效率可以达到95%,轻载效率不小于80%。
2. 1.2V固定输出的DC-DC,应用简单,对于1.2V输出效率可以做到最高。
3. 1.2V输出的LDO,对于1.2V的工作电压,如果工作电流比较小(小于50mA),用LDO是一种低成本的方案,由于总体功耗不大,这种应用也有一定的市场。

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