知名厂商详解如何实现智能手机的电源设计 - 全文

　　近年来不断增多的功能使手机设计面临更严峻的电源管理挑战。本文从电压转换、稳压、闪光灯电路、电池充电等方面分析了未来手机的电源管理设计趋势和各种相应的解决方案。3G手机不仅可以浏览网页、发送电子邮件、拍摄数码相片，甚至能播放视频流。手机制造商正面临越来越大的压力，因为他们必须把这些功能集成进不断缩小的体积内，同时要让手机维持较长的工作时间。

　　未来3G智能手机电源管理设计趋势分析

　　不断增多的功能促使手机需要更多不同功率水平的低电压输出电平。一个例子是用于图像处理的应用处理器，它在视频捕获期间需要高达360mw的功率。在满负荷运行时，手机内部系统的负载所需的峰值功率通常将超过4W。这么高的功率会很快耗尽电池的能量。影响电池运行时间的另一重要因素是电源效率和系统电源管理。

　　低电源转换效率将导致发热。这种热量是因为电压调节器在能量转换过程中的功率损失而产生的。但手机中没有用于冷却的风扇或散热片，而只有密集封装的印制电路板。因此没有任何通道可让热量散出。这些热量会缩短电池寿命，并降低产品的可靠性。由于电压转换期间会产生热量，业界需要重新考虑应该采用何种稳压器。目前，制造商正在采用开关调节器取代简单但低效的线性低压降（LDO）稳压器，因为开关调节器具有更高的效率。

　　对于可满足手机内部电源转换需求的不同电压稳压器，我们必须认真考虑它们的优缺点。目前有三种选择：线性LDO稳压器、无电感型开关稳压器（亦称为充电泵）以及传统的开关稳压器（基于电感器） 。线性LDO稳压器被认为是最简单的方案，它只能将输入电压转换到更低的电压。它最显著的缺点是热量管理，因为它的转换效率接近于输出电压与输入电压的比值。例如，一个LDO的输入端是标称为3.6V的单单元锂离子电池，它在输出电流为200mA时提供1.8V的输出电压，以驱动图像处理器。那么，它的转换效率只有50%，因此它会在手机内部产生热点，同时会缩短电池使用时间。

　　开关稳压器可避开所有线性稳压器的效率缺点。通过使用低阻抗开关和磁存储组件，开关稳压器的效率能达到96%，从而显著减少转换过程的功率损耗。由于工作在非常高的开关频率（大于2MHz），这可以减小外部电感和电容的尺寸。开关稳压器的缺点比较少，而且能够通过良好的设计技术加以克服。介于线性稳压器与传统开关稳压器之间的是充电泵。在充电泵中，外部储能元件是电容而不是电感。由于没有电感，它可以减轻潜在的电磁干扰问题，以免影响敏感的RF接收器或蓝牙芯片组。充电泵的缺点是有限的输入输出电压比以及有限的输出电流能力。

　　拍照功能引发的挑战

　　许多3G手机都能拍照甚至传送视频流。不过，当消费者开始接受这些内置相机的手机时，他们要求拥有更高质量的摄像能力。业界已经准备采用改进的图像传感器和光学系统，但工程师要特别关注高质量的 “闪光” 照明。闪光灯是获得良好摄像性能的关键，但当你准备在结构紧凑的3G手机上实现这项功能时必须谨慎考虑。

　　对于两百万像素照相手机，内置闪光灯的尺寸和性能是系统设计师需要考虑的两个关键因素。现在，闪光照明有两种实际选择：白光LED（发光二极管）和闪光灯。表2比较了LED与闪光灯的性能。LED的优势是具有连续工作能力，而且只需要低密度的支持电路。然而，闪光灯拥有一些对高质量摄像特别重要的特性。它的线源光输出是点源LED的数百倍，因而可以在大范围内产生密集且容易发散的光线。此外，闪光灯的色温是5500°K至6000°K，这非常接近自然光，从而消除了白光LED在蓝光峰值输出时所需的色彩校正。

　　大多数设计师希望拥有氙闪光灯的性能，但他们必须保证电路尺寸和复杂度不会对方案的具体实现造成负面影响。要更好地理解与此任务相关的设计困难，设计师必须仔细考虑闪光灯的物理尺寸和操作以及为了确保它安全、正确地工作所需的支持电路。

　　闪光灯及其支持电路

　　闪光灯通常是一个充满氙气的圆柱形玻璃管，其阳极与阴极都直接与氙气接触，而沿灯管外表面分布的触发电极则不与氙气接触。气体击穿电压一般是在几千伏范围内。一旦发生击穿，灯阻抗会下降到1W以下，此时流过击穿气体的高电流就会产生强烈的可见光。闪光灯由触发电路和一个可产生高瞬态电流的储能电容控制。工作时，闪光电容器一般被充电至300V。最初，电容器不能放电，因为闪光灯处于高阻抗状态。但当触发电路接到命令后即会给灯施加数千伏的高压，于是灯被击穿，从而使电容器放电。对闪光重复率的主要限制是灯能否安全散热。

　　第二个限制是充电电路给闪光电容器充满电所需的时间。根据目前的输入功率、电容值及充电电路特性，充电时间一般在1到5秒之间。闪光电容器充电器基本上是一种具有某些特殊能力的变压器耦合升压转换器。当其 “充电” 控制线为高电位时，稳压器同步内部功率开关，使升压变压器产生高电压脉冲。然后，这些脉冲再经整流和滤波，产生300V的直流输出，其转换效率高达80%。

　　一种可满足以上所有技术及性能要求的完整闪光灯电路。通过利用LT3468-1（一款采用SOT-23封装的闪光电容器充电器），该解决方案可提供适合3G手机的紧凑外形。

　　一个肖特基二极管（D2）用来安全箝位T1引起的反向瞬态电压。升压变压器T2用来产生高电压触发脉冲。假设C1被完全充电，那么当Q1～Q2使Q3导通时，C2将电流储存进T2主端。然后，T2副端将高压触发脉冲提供给闪光灯，使其电离并导电。C1通过闪光灯放电，从而实现发光。整个电路占位面积小于400mm2且高度不超过6mm （包括闪光灯在内）。

　　电池充电解决方案

　　事实上，所有3G手机都采用锂离子电池作为主电源。由于散热及空间的限制，设计师必须仔细考虑选用何种类型的电池充电器，以及还需要哪些特性来确保对电池进行安全及精确的充电。线性锂离子电池充电器的一个明显趋势是封装尺寸继续减小。但值得关注的是在充电周期（尤其在高电流阶段）冷却IC所需的板空间或通风条件。充电器的功耗会使IC的接合部温度上升。加上环境温度，它会达到足够高的水平，使IC过热并降低电路可靠性。

　　此外，如果过热，许多充电器会停止充电周期，只有当接合部温度下降后才恢复工作。如果这种高温持续存在，那么充电器“停止和开始”的反复循环也将继续发生，从而延长充电时间。为减少这些风险，用户只能选择减小充电电流来延长充电时间或增大板面积来散热。因此，由于增加了PCB散热面积及热保护材料，整个系统成本也将上升。

　　对此问题有两种解决方案。

　　首先，需要一种智能的线性锂离子电池充电器，它不必为担心散热而牺牲PCB面积，并采用一种小型的热增强封装，允许它监视自己的接合部温度以防止过热。如果达到预设的温度阈值，充电器能自动减少充电电流以限制功耗，从而使芯片温度保持在安全水平。第二种解决方案是使用一种即使充电电流很高时也几乎不发热的充电器。这要求使用脉冲充电器，它是一种完全不同于线性充电器的技术。脉冲充电器依靠经过良好调节且电流受限的墙上适配器来充电。

　　方案一 ： LTC4059A线性电池充电器

　　LTC4059A是一款用于单节锂离子电池的线性充电器，它无需使用三个分立功率器件，可快速充电而不用担心系统过热。监视器负责报告充电电流值，并指示充电器是何时与输入电源连接的。它采用尽可能小的封装但没有牺牲散热性能。整个方案仅需两个分立器件（输入电容器和一个充电电流编程电阻），占位面积为2.5mm×2.7mm。 LTC4059A采用2mm×2mm DFN封装，占位面积只有SOT-23封装的一半，并能提供大约60℃/W的低热阻，以提高散热效率。通过适当的PCB布局及散热设计，LTC4059A可以在输入电压为5V的情况下以最高900mA的电流对单节锂离子电池安全充电。此外，设计时无需考虑最坏情况下的功耗，因为LTC4059A采用了专利的热管理技术，可以在高功率条件（如环境温度过高）下自动减小充电电流。

　　方案二 ：带过流保护功能的LTC4052脉冲充电器

　　LTC4052是一款全集成的脉冲充电器，用于单节4.2V锂离子/锂聚合物电池。当输入电压为5.25V并以0.8A电流进行快速充电时，LTC4052的功耗大约为280mW，而线性充电器解决方案的功耗则高达1.8W。与采用电感来获得高效率和低散热的开关充电器不同，LTC4052采用无电感设计。利用LTC4052设计的700mA至2A锂离子/锂聚合物电池充电器电路仅占70mm2 的面积 ，且高度低于1.7mm。通过将功耗减至最低水平，LTC4052可放宽终端设备对热设计的要求，允许采用更小的封装、更小的散热气流以及更小的PCB面积，而且能消除热点，从而无需使用散热片或风扇。

　　LTC4052需要一个电流受限的墙上适配器，以控制充电电流的大小。它还需配备过流保护电路，以便在意外使用较高电流或墙上适配器发生故障时能提供保护。LTC4052是一款全集成的脉冲充电器，无需使用外部MOSFET或阻流二极管。这款独立的充电器IC具有C/10检测、充电状态指示、充电结束定时器、墙上适配器检测及过流保护等功能。LTC4052的输入电源可以是4.5V到12V，并具有1%的 飘移电压精度。

　　智能手机的电源管理设计方案

　　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

　　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改进预期，也仅能小幅增加2“3成电池容量。

　　电池容量短期内不会有突破性发展，就必须靠妥善管理电池容量，让电池可以提供更长的使用时间，而适当的电池管理就显得格外重要。例如对电池的侦测、充电控制、电池保护…等，都可有效管控电池容量状况。透过电池侦测组件，可以检视电池剩余电力，用简单的电荷计量器，由中央处理器负责计算剩余电力，或是通过微控制器的量测组件，提供剩余供电时间、剩余电力、电池电压、温度、电流量…等数据数据，可让使用者更有效掌握电池供电现况。

　　图说：德仪电池电量监测芯片，可测量电池放电率、温度、老化程度，及其它因素对电池阻抗的影响，量测电池使用寿命的准确率高达99%。

　　如何解决智能手机电源设计的细节问题

　　今年绝对是国产智能手机的暴发年，主要原因一是MTK平台的几大方案公司发力点到了，再借力***与大陆的电源管理IC和摄像头芯片、GPS芯片推出了千元甚至以内的Android智能手机。另一点是苹果智能手机的速度推出较慢，让出了在4.0寸大屏手机的市场，国产手机确实抓到了难得的时机。

　　但另一个问题很快就出来了，就是智能手机出现了同质化的问题和低质化。大多数新出现的国产智能手机品牌都在外观ID和系统UI上，跟某些品牌的某几款手机同质化，造成了如同当年山寨机同质化的问题；另一方面，这些手机的系统在安装众多应用软件时，就出现了电源、摄像头、照相或是无线上网方面的问题。有的是由于主平台的硬件不足造成，如内存不够，有的是处理器的主频不给力，但更多的却是电池、电源管理IC和外围器件造成。

　　本人认为，UI 和ID的同质化还是可以接受的问题，但是电源管理方面的问题却是需要工程师们做更深入的了解。例如智能手机的电池用到15%的时候，就会出现不能摄像拍照的情况，一方面是系统会为了节省电量保证通话或短信的基本功能。另外就是上网和照相这些功能会让电池出现低过3.8V的情况，很容易造成关机或某些硬件不能正常工作。这样的结果就是让消费者认为这属于产品的质量问题，造成对国产手机的严重不信任，非常值得重视。

　　笔者在IIC China 2012展会上，与参展的安捷伦科技产品经理饶骞进行了探讨。安捷伦科技在IIC上展示了新推出的N6705B示波器，专门智能手机和芯片的精密耗电分析。饶骞认为，现在的智能手机设计的问题是功耗的问题。但要解决这个问题，首先就要对手机的功耗进行非常即时的监测，要测试到智能手机运行任何功能和应用软件时电流、电压和电池的情况。通过对电源各种信息的记录和分析，才能让手机芯片设计和系统设计的工程师了解到如何对智能手机进行相关的改进。

　　饶骞表示，N6705B示波器另外一个功能就是它本身就可以用来模仿手机的照像、GPRS上网、通话、短信等各种功能时的实际耗电情况，从而达到智能手机的电池内阻进行仿真功能，这款设备适合特别适合于智能手机的芯片设计和系统设计的工程师使用。

　　此外，随着便携式设备的功能越来越丰富，这款示波器还可以帮助到像平板电脑、数码相机、手持游戏机等多种电池供电的便携式终端设计测试。