多功能手機(jī)的功率管理

Powering Feature-Rich Handsets

飛兆半導(dǎo)體公司 計(jì)算和便攜產(chǎn)品企業(yè)戰(zhàn)略總監(jiān)Reno Rossetti
功率管理部市場(chǎng)部總監(jiān)Madhu Rayabhari

引言
雖然現(xiàn)在一般的手機(jī)仍然都是GSM/GPRS黑白屏幕或同類(lèi)型的，但，手機(jī)市場(chǎng)正迅速朝著集成彩屏、相機(jī)和個(gè)人信息管理 (PIM) 的方向發(fā)展。預(yù)計(jì)2006年結(jié)合豐富語(yǔ)音和數(shù)據(jù)功能的智能電話的出貨量將大于同年的筆記本電腦，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越單一功能產(chǎn)品的出貨量，如數(shù)字相機(jī)和PDA。

了解這個(gè)發(fā)展趨勢(shì)后，幾乎可以肯定，今天看來(lái)很創(chuàng)新的新興手機(jī)和手持式產(chǎn)品應(yīng)用，如視頻流和高質(zhì)量數(shù)字媒體回放等，將很快成為高端手機(jī)的基本功能，甚至市場(chǎng)主流。

本文將討論此類(lèi)復(fù)雜設(shè)備所帶來(lái)的挑戰(zhàn)，尤其是對(duì)于功率管理的挑戰(zhàn)，還會(huì)探討新的解決方案和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

復(fù)雜性增加而開(kāi)發(fā)周期縮短

今天OEM廠商于復(fù)雜的市場(chǎng)之中運(yùn)作，涉及不同的通信平臺(tái) (第二代或2G平臺(tái)如GSM、TDMA和CDMA，以及3G平臺(tái)如W-CDMA和CDMA2000)，而且模式各不相同。

為了使這些應(yīng)用取得的上市時(shí)間，單一平臺(tái)的參考設(shè)計(jì)通常依賴(lài)于相對(duì)剛性的""芯片組，而更靈活的外圍器件則在給定的平臺(tái)中體現(xiàn)各個(gè)模式的差異性。

圖1所示為帶有基帶部分的芯片組，包括處理數(shù)據(jù)的應(yīng)用MCU、用于語(yǔ)音的DSP、閃存、RF部分 (帶有接收RX和傳送TX區(qū)塊)，以及功率管理單元 (PMU)部分。

圍繞這個(gè)芯片組是一系列附加模組，如應(yīng)用于無(wú)線耳機(jī)的短距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸藍(lán)牙裝置、相機(jī)、LCD模組及其它。這些區(qū)塊需要輔助PMU提供額外的功率。

功率管理單元 (PMU)

由于PMU支持智能負(fù)載的數(shù)量和性能不斷提升，所需的功率管理單元日益精密，能夠提供遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出穩(wěn)壓、充電和電量計(jì)量等基本的功能。

在精密的手機(jī)系統(tǒng)中，PMU可能需要編程，以便通過(guò)協(xié)議的軟件實(shí)施而成為特定的平臺(tái)，并能夠通過(guò)串口 (I2C總線或類(lèi)似總線) 與主CPU通信。這便是根據(jù)負(fù)載需求調(diào)整功率供給模式，并且承擔(dān)許多關(guān)鍵功能，例如在通信總線失效時(shí)設(shè)定加電順序 (包括啟動(dòng)順序)。

這種PMU可通過(guò)不同程度的集成來(lái)實(shí)現(xiàn)，或許在開(kāi)始時(shí)可采用多芯片解決方案，以縮短上市時(shí)間，然后根據(jù)批量和其它考慮進(jìn)行向上集成，納入單一封裝中 (多芯片封裝或MCP)，甚至集成為單片IC。

圖2所示為基于微控制器的功率管理架構(gòu)，提供所有的硬件和軟件功能，如上所述，采用多芯片方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。設(shè)定這個(gè)單元需要權(quán)衡許多因素。鋰離子低壓 (典型值3V)電源有助于提高標(biāo)準(zhǔn)CMOS器件的集成度，但如與外部AC適配器接口的充電器需要集成，這個(gè)選擇就會(huì)遇到麻煩，在這種情況下，工藝技術(shù)所需耐受的電壓便遠(yuǎn)高于CMOS的標(biāo)準(zhǔn)5V電壓。

某些穩(wěn)壓器 (如為CPU供電的降壓轉(zhuǎn)換器) 需要提供持續(xù)升高的功率水平，這在單一CMOS架構(gòu)的電路板上難以實(shí)現(xiàn)。在這種情況下，使用超小型BGA封裝的P溝道DMOS分立晶體管，如FDZ299P，將有助于解決問(wèn)題。終，如果成本允許使用高掩膜數(shù)，功能強(qiáng)大的混合信號(hào)雙極CMOS-DMOS (BCD) 工藝可實(shí)現(xiàn)真正的單片解決方案，以處理電壓電流和柵極數(shù)量的復(fù)雜性。如圖2所示，手機(jī)中每個(gè)子系統(tǒng)均需本身特定的供電方式；RF部分的低噪聲LDO；以及其它部分的低功耗LDO。還需要使用高效的降壓轉(zhuǎn)換器，用于高耗能處理器；與LED驅(qū)動(dòng)器相結(jié)合的升壓轉(zhuǎn)換器，用于LED陣列；以及充電時(shí)將鋰離子電池與外部交流適配器相連的線性充電器。

微控制器

如PMU部分所述，微控制器 (其方框圖見(jiàn)圖3) 是功能豐富的手機(jī)或智能電話功率管理單元的基礎(chǔ)。例如，飛兆半導(dǎo)體的ACE1502 (算術(shù)控制器單元) 系列微控制器具有全靜態(tài)CMOS結(jié)構(gòu)。這種低功耗的小型器件是專(zhuān)用可編程單片IC，適用于需要高性能的超便攜設(shè)備。其為8位微控制器、64字節(jié)RAM、64字節(jié)EEPROM和2k字節(jié)編碼EEPROM，而片上外設(shè)還包括多功能16位定時(shí)器、監(jiān)察器和可編程欠壓檢測(cè)及復(fù)位裝置和時(shí)鐘。這種器件具有高集成度，可采用小型SO8封裝，這個(gè)區(qū)塊并可通過(guò)單裸片或共封裝形式，進(jìn)一步向上集成為更復(fù)雜的系統(tǒng)。

使用微控制器為PMU添加智能時(shí)需要考慮的另一個(gè)重要因素，是電池在工作和待機(jī)模式下的損耗。理想的設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)極低的待機(jī)電流。事實(shí)上，ACE1502非常適合這類(lèi)應(yīng)用。在待機(jī)模式下，ACE1502僅消耗100nA電流，對(duì)于電池壽命的影響可謂微不足道。

處理要求

隨著功能聚合趨勢(shì)的持續(xù)發(fā)展，軟件和固件的開(kāi)發(fā)成為一項(xiàng)越來(lái)越復(fù)雜的任務(wù)。事實(shí)上，由于系統(tǒng)趨向于使用更大的顯示器并包含更多功能，如三維游戲等，手機(jī)的處理能力和軟件復(fù)雜性促使其架構(gòu)傾向分布式處理。微處理器可提供更多的價(jià)值，從主CPU卸載功率管理任務(wù)，讓主CPU能進(jìn)行更多計(jì)算密集的任務(wù)。

通過(guò)微控制器應(yīng)用“局部智能”，可以設(shè)定不同的復(fù)雜性水平，例如近的"個(gè)性手機(jī)"趨勢(shì)。舉例說(shuō)，帶有數(shù)字相機(jī)的手機(jī)在今天十分普遍。但由于缺乏閃光裝置，使得手機(jī)相機(jī)的使用局限于光線明亮的場(chǎng)合。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以加入由LED (發(fā)光二極管) 構(gòu)成的閃光單元。閃光的添加需要包括多項(xiàng)功能，如防紅眼和亮度調(diào)節(jié)，這取決于周?chē)牧炼群陀跋竽繕?biāo)的距離，以及影像捕捉時(shí)與CCD模組的同步。而這些附加功能可輕便地卸載到外圍微處理器。這樣的架構(gòu)除了可簡(jiǎn)化主CPU的計(jì)算負(fù)載外，還能優(yōu)化功率管理。

微控制器驅(qū)動(dòng)照明系統(tǒng)

圖4所示為基于LED的照明系統(tǒng)。一般來(lái)說(shuō)，需要使用4個(gè)白光LED組成的陣列實(shí)現(xiàn)彩色顯示背光照明，而另一個(gè)由4個(gè)白光或藍(lán)光LED組成的陣列則用于執(zhí)行鍵盤(pán)背光照明。相機(jī)閃光所需的白光LED一般為四合一封裝。，RGB顯示模塊可提供不同組合的紅、綠和藍(lán)閃光，從而產(chǎn)生有趣的的閃光效果。如前所述，所有照明條件的序列和延續(xù)時(shí)間均在微處理器控制之中。

圖5所示為前面描述的照明系統(tǒng)，系統(tǒng)的所有單元均可立刻啟動(dòng)。(背光和顯示照明的位置很明顯。閃光裝置是頂部的白光部分，而RGB照明位于中間，為微紅色閃光。)

功耗化

功耗化的戰(zhàn)爭(zhēng)也漫延到信號(hào)通道。超便攜設(shè)備廣泛應(yīng)用的邏輯門(mén)、運(yùn)算放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器件等都經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)超低功耗并采用節(jié)省空間的封裝。

例如，飛兆半導(dǎo)體的NC7SP74 D觸發(fā)器和NC7SP00雙NAND等超低功耗 (ULP 和ULP-A) TinyLogic器件的工作電壓為0.9V至3.3V，傳播延遲短至2.0 ns。與時(shí)下的高性能邏輯器件相比，僅消耗30-50%的功率。

無(wú)限制的操作

的高端手機(jī)擁有非常優(yōu)異的功能，如雙色LCD顯示、相機(jī)、視頻和音頻點(diǎn)播。一個(gè)800mAh 鋰離子電池 (相當(dāng)于3V平均輸出下2.4Wh) 可以維持高功率的操作，如游戲、拍照、錄像和播放等--假設(shè)每種操作消耗功率的速度為少于兩小時(shí)內(nèi)1.4W。這種性能因數(shù) (FOM) 變得越來(lái)越好，要?dú)w功于先前所述的功率管理方法，但這距離更基本型手機(jī)所需的6-8小時(shí)無(wú)限制工作要求還差很遠(yuǎn)。

目前有望改善這種狀況的技術(shù)有兩種，一種是有機(jī)LED顯示器 (OLED)，能省去耗能的背光照明。另一種技術(shù)是燃料電池，這是能直接從燃料 (如甲醇) 提取電能的電化學(xué)器件。燃料電池已可與鋰離子電池連接，如作為無(wú)限制充電器，并會(huì)逐步取代鋰離子技術(shù)。

另外的替代電源如燃料電池等，將需要更加復(fù)雜的功率管理，這會(huì)進(jìn)一步加促局部智能任務(wù)管理的發(fā)展，如附加微控制器，其中包括精密的混合信號(hào)功能，以實(shí)現(xiàn)卓越的監(jiān)測(cè)能力。

帶OLED顯示器的數(shù)碼相機(jī)已經(jīng)上市，預(yù)計(jì)這項(xiàng)技術(shù)將在今后3至5年內(nèi)獲得更廣泛的應(yīng)用。燃料電池是經(jīng)驗(yàn)證的技術(shù)，但難以實(shí)現(xiàn)小型化，因此在體積能縮小到于手機(jī)應(yīng)用之前，先用于筆記本電腦等較大型設(shè)備。使用燃料電池供電或充電的手機(jī)原型已有展示，預(yù)計(jì)將根據(jù)與OLED相同的時(shí)間表推出市場(chǎng)。

總結(jié)

功率管理技術(shù)正不斷改變和發(fā)展，以滿(mǎn)足今日日益復(fù)雜的系統(tǒng)需求。這些技術(shù)包含傳統(tǒng)的穩(wěn)壓組件和非傳統(tǒng)的數(shù)字功能，如總線接口、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器以及微控制器。 功能豐富的手機(jī)或智能電話明顯地正在推動(dòng)各項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，包括功率，并在未來(lái)增添更多的功能。舉例說(shuō)，可以想象未來(lái)將出現(xiàn)一系列"即插即用"標(biāo)準(zhǔn)的爭(zhēng)論，并可從不同來(lái)源混合應(yīng)用各式附加的外設(shè)設(shè)備 (相機(jī)、GPS模塊等)，同時(shí)講求已有外設(shè)的再用。在功率管理應(yīng)用中添加微控制器將成為非常重要的IC方案，為這些平臺(tái)提供系統(tǒng)功率。

功率管理電子的智能化趨勢(shì)，加上能量存儲(chǔ)和顯示新技術(shù)的日漸成熟，定會(huì)在可見(jiàn)的未來(lái)令功能豐富的手機(jī)繼續(xù)保持高速發(fā)展。