多媒体智能手机的电源管理设计

2011-03-20 10:55:32来源: 互联网

手机功能整合愈来愈多,然电池容量的增长,却始终未能跟上功能变化脚步,如何在有限容量下,提高手机的使用时间,良好的电源管理与提升工艺技术,都是减少手机功耗的有效作法。

传统只用来应付通讯功能的手机,已无法满足消费者的应用需求,MP3功能手机成为必要配备,而多种多媒体功能设计,都成为3G手机时代下,业者标榜功能诉求。

具照相摄影功能的手机,需要有复杂的相机引擎与高亮度闪光灯;而随着无线通讯频宽增加,应用高速处理器,可提供执行Bluetooth无线传输、卫星定位、手机上网、数字电视、语音讯号编/译码…等音视讯处理能力。

然功能要求愈来愈多的结果,手机电池的负荷势必更为沉重,手机内部用电设计,也变得更为繁复,因此需要更适合的省电技术,以因应手机中各种功能需求。显然,如何将大量的功能整合在1个小空间内,整合恰当的高性能模拟与数字组件是最根本的作法。

再者,现阶段在无法提升手机电池容量情况下,有效压低数字讯号处理器的功耗变得更为重要,除透过进步的工艺技术降低数字讯号处理器驱动电压外,良好的电源管理,成为节省手机功耗的不二法则,才能设计出符合消费者对手机长时间使用的需求。

图 多媒体手机,除通讯功能外,各种影音、视讯、无线传输能力,已成为手机配备功能,但也同时增加电池功耗,因此需要更多电源管理技术,增加手机使用时间

led/' target='_blank'>显示屏幕及射频区块 耗电居前两名

一般手机使用时,约有超过90%的时间处于待机状态,但屏幕上仍然要显示日期、时间、电池电量、收讯状态,而此时待机模式的耗电,需要整个屏幕来支持显示,因此显示器部分成为手机耗电一大问题。

目前手机上大多是使用TFT LCD作为显示器,LCD属于被动显示,需有背光源才能发挥显示效果。背光源设计,除开关On/Off外,还须有调节驱动电流来改变LED的亮度,调整亮度的方法可借控制正向电流,来减少显示器功耗,主要方法有2种,1种是利用固定电流来驱动LED,固定电流可消除正向电压变化导致的电流变化,可以固定LED亮度;另外1种方法是利用1个电压电源和1个整流电阻器,来确定产生预期正向电流所需要向LED提供的电压。

除了屏幕是电源功耗一大杀手外,另外1个功耗来源,就是射频区块部分。当中以射频零组件中的功率放大器消耗功率为最大,强调更好输出效率的放大器电路已愈来愈受重视,同时其功耗也逐渐获得大幅改善。

新一代的移动电话开始采用更低的电池电压同时,射频功率放大器就必须改变设计方向,目前HBT射频功率放大器技术,必须适用于3.0伏特以上电压,而用于低电压直流电源上取得高线性射频功率输出,就必须仰赖E-pHEMT技术,如此能为手机制造商提供更好的功率加效率(PAE)、低压操作和高可靠性…等独特优势相对于HBT,E-pHEMT技术,具备高电压下较佳效率,在低偏压下更具吸引力。由于E-pHEMT组件,可在低于2伏特的低偏压条件下,维持良好的线性与增益表现,可以避免付出降/升压转换器的成本与功率耗损,也能在不加入不必要组件的条件下,提高电池效率并延长手机通话时间。

图 美国国家半导体0.4mm厚的超薄集成电路封装技术,适用于更轻薄短小的移动电话、显示器、MP3播放器、PDA及其它可携式电子产品。

压差线性稳压器LDO减少音频功耗

手机各种音讯功能,如MP3播放、多和弦铃声和FM广播…等功能,都会增加手机功耗。因此如何让音讯电路最佳化达到低功耗设计,成为延长电池时间的重要问题。

而改善音讯耗电能方法,手机音讯组件多要求具备较好的噪声抑制、低工作电压、高功效性能。目前一般最常见采用压差线性稳压器(Low Dropout REGULATOR;LDO)来抑制噪声(PSRR)。线性调压是最常见且最易应用的电压调整方式,其优点是封装体积小、外部组件少,利于电路面积有限的手持装置设计。

LDO是电路板设计上常见的直流转换组件,LDO都是高电压转低电压工,作原理是类似像分压原理,其脚位少、可以过滤电源噪声。但LDO虽然是低转换电压,功耗相当低,但仍有部分电力耗损,如果音频放大器能够提高到超过60dB,就不需要应用上LDO,可以降低音频电路功耗。

图 奥地利微电子推出200mA微型超低压降稳压器AS1369,仅占1mm2 PCB空间,适合移动电话与PDA…等空间有限装置。AS1369 LDO可实现性能提升,延长电池寿命。

DC/DC电源转换器产品 可减少LDO需求

在电源管理IC选择中,终端市场对产品尺寸及电源转换效率要求日益严苛,因此属于低成本但效率较差的LDO线性稳压器,渐受到电源转换效率较好,但设计和成本门坎较高的交换式稳压器(Switching REGULATOR)威胁,例如直流转直流转换器(DC/DC Converter)市场的冲击与威胁,造成LDO量缩,甚至因此导致价格下跌,价格竞争压力,让不少电源IC业者转投入DC/DC电源产品研发。

高频率的DC/DC转换器,可让系统周边仅须搭配很小的电感或电容即可,进而缩减电路板面积,当手机与数字相机(DSC)朝轻薄设计发展,势必要减少系统对于单颗LDO需求。因此,使用单组LDO的机率就愈低,不少厂商都转向投入DC/DC转换器研发,包括以经营LDO为主的安茂微电子,也正全力投入DC/DC转换器开发。

整合电源管理芯片趋势

1.低阶手机基频芯片整合PMU

PMU主要是用于解决手机内部电源管理问题,发展PMU的主要目标,即是为手机做有效节电,以避免效率转换损失。目前低阶手机芯片的核心主轴基频芯片,已朝整合PMU电源管理模式发展,由于基频芯片整合PMU可节省手机空间,PMU可具不占空间以及高整合性优势,让厂商致力于发展基频芯片整合PMU方案。

2.高阶手机应用处理器整合PMU

而高阶手机部分,如3G智能型手机配备多媒体影像、无线传输功能设计,其应用处理器耗电量更大,因此就必须发展专用、整合型PMU,以降低应用处理器耗电量。例如,意法半导体就整合了USB OTG高速(High Speed)与音讯编/译码(Audio Codec),因应智能型手机对音讯的精致度要求,让手机具快速数据传输功能。而美国国家半导体,也针对LED发展出高整合度照明管理单元(Lighting Management Unit;LMU)可解决LED耗电速度快的问题。

另外,电源管理芯片朝客制化发展,将成为未来趋势,为提高PMU使用弹性、扩大应用空间,针对某类型市场或处理器平台,开发出客制化规格,才能创造出业者的市场竞争力。例如德州仪器针对三星的应用处理器,便推出了专属PMU解决方案,希望通过提供客制化的PMU产品服务,积极开发类型(Catalog)PMU,提高产品市占率。

而意法半导体量产的整合型PMU,则是采模块化策略,尽可能整合高阶手机必要功能,如客户有提出某项功能不合适,只需将该功能关闭继续保留其它功能,满足不同客户对手机定位的要求。

图 美国国家半导体高整合度灯光管理单元(LMU),内建高电压升压转换器及可程序恒流驱动器,可以控制显示器背光系统内高达20个串联发光二极管,以及驱动设于小键盘和相机闪光灯内的发光二极管与红绿蓝 (RGB)光发光二极管。

分离式电源芯片 设计弹性佳

由于整合性电源管理芯片,仍有功能设计限制及弹性不佳缺点,无法为市面上所有手机附加功能全部整合在内,一旦选择整合型PMU,如果设计生产过程出现瑕疵问题,则会影响到后续的作业程序;而分离式电源芯片有更多弹性设计,在规格上都能达到兼容,在功能性、设计方案可以有更多选择性,可避免单一芯片商可能影响设计、生产…等问题。

整合性电源管理芯片种种设计限制,凸显分离式电源芯片有更大弹性及变化优势,特瑞仕半导体发展的多芯片封装(MCM)模式,就属于分离式电源芯片1种,其能针对有些微差异功能的手机,进行电源管理设计与功能变更,而整合型电源管理芯片,只能专用于某型号的手机中。

多芯片封装(MCM)模式与LDO、DC/DC转换器…等分离式电源管理芯片,其设计弹性大,使其能与整合型PMU市场地位并驾齐驱,而不少业者也纷纷提出类型化、模块化芯片设计,分离式电源管理芯片可就单一功能进行技术研发,因应未来手机快速汰旧换新、求新求变的产业趋势中,才能符合手机业者的客制化需求。

在提出分离式电源管理芯片业者中,美国国家半导体的移动像素链接(Mobile Pixel Link;MPL)实体层技术,针对影像显示画素造成的耗电进行管理,以进一步解决电源供应、噪声、及稳定性问题,该技术主要应用于小型显示器及数字相机。MPL能将RGB数据影像从原本24位传送,转换成18位数据进行传送,影像讯号传输路径变大,影像也较清晰,还可达到省电效果。

电池容量管理 增加使用效率

电池转换技术不断精进,然而电池容量却仍赶不上手机厂商需求,与消费者对手机使用时间的满足。虽然近年来,为提高手机电池使用时间,业者开始专注更多高能量电池开发,但对锂离子电池的逐步

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关键字:智能手机  设计

编辑:神话 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2011/0320/article_5812.html
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