浅谈智能手机电源管理解决方案趋势与展望

　　作为手机基础芯片的电源管理单元就像一部发动机，驱使智能手机在3G的高速公路上飞驰。虽然现有的电源拓扑方案能满足当前应用需求，但已慢慢接近技术与器件的瓶颈，亟需突破。

　　如今的智能手机能够满足用户越来越高的要求，比如更大的显示屏、更多的传感器、更快速度的无线连接方式、更强大的数据处理能力以及更时尚的云端服务等等，而高清和3D视频播放、Flash界面、WiFi无线上网更是成为智能手机的必备功能，所以要求移动处理器能够提供更强的处理能力、更快的处理速度。现在处理器能够运行主频达到1.5GHz甚至2GHz以上，这样势必对电源管理能力提出了更大的挑战。第一，需要更高的效率，延长手持终端接入网络服务的时间；第二，需要的功率密度更大，以满足终端更大的功率需求；第三，拥有双核、四核甚至更多核的处理器和更大的内存容量以实现多任务的强大应用功能，所以需要不同电压等级和上电时序，使得整个系统复杂化；第四，需要高度集成的电源解决方案，减少片外无源器件，使移动便携产品更加轻巧和紧凑；第五，需要更低的静态功耗，以实现更长的待机时间；第六，需要更低的核电压，降低核心芯片的片内功耗。针对电源管理新的发展方向和需求，下面将探讨几种新的适用于手机电源方案的buck、boost变换器拓扑，并对关键技术指标的发展趋势进行展望。

　　高频化的渴望与无奈

　　DC-DC变换器的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的好处就是使变换器空前地小型化甚至微型化，使得DC-DC变换器能够进入移动便携产品应用领域，推动移动产品的小型化与轻便化。变换器的微型化实质上就是尽可能减小其中储能元件体积，包括储能电感和滤波电容。此外，高频化还能够抑制干扰，改善系统的动态性能，满足由于核心芯片快速的数据处理以及高速网络的接入带来的对电源高品质、高性能的要求。因此，高频化是智能移动设备电源解决方案的主要发展方向之一。

　　但是，高频化带来产品和技术进步的同时，由于损耗产生的热管理难题一直是如影随行。变换器损耗主要来源于开关损耗和导通损耗，均直接和片内开关管有关。导通损耗与开关管的材料以及工艺有关，而开关损耗则由开关频率以及驱动电压等决定。由于智能手机核心芯片的主频不断升级换代，与之配合的电源芯片势必跟上这个趋势。但显而易见的是开关频率上升到一定的程度就会带来效率的恶化。因此，虽然高频化的愿望是美好的，但与之相比效率的恶化则是严峻的现实。如何让现实和美好的愿望完美统一？从下面的讨论中我们可以得到一点启示。

　　对高效率的不懈追求

　　DC-DC变换器的拓扑结构多种多样，但其功率损耗源基本包括在导通损耗、驱动损耗、分布电感开关损耗、与功率管开关时序有关的损耗、控制电路损耗以及线路损耗等方面，由于这些耗散源头的存在导致转换效率永远小于100%。尽管如此，人们总盼望能把效率提高，无限接近100%。为此，无论是从学术界还是产业界，都试图从控制技术、新的拓扑、新的工艺以及制程等方面获得突破，不仅提高峰值效率，还努力提高全范围的效率。对于智能移动应用领域而言，由于负载电流基本集中在1A以内，个别的负载模块所需要的电流目前保留在5A以内，所以提高这两种应用环境下的直流变换器的效率突破点不完全一样。如果输出功率不大，影响变换器效率主要在于静态损耗，包括控制、驱动、开关管通断切换损耗以及交流回路损耗等等；如果输出功率较大，则影响变换器效率主要在于开关管导通以及线路损耗。

　　诸如PFM技术、软开关技术以及多相交错并联等都可以提高变换器的效率。软开关技术的最大优点在于减少开关损耗、提高效率，并可大大减少电磁干扰，其基本思路是利用电感或电容等储能元件，在开关管开通和关断时将电压/电流转移或谐振到零，从而实现零电压或零电流开关，实现高效率的高频化。多相交错并联拓扑能在保持相同输出电压品质的前提下，降低变换器工作频率，从而从结构上优化效率；反之如果系统维持相同的工作频率，则大大优化变换器的输出纹波与动态性能。这里重点介绍多相交错并联拓扑的优势与特点。

　　低电压、大电流成必然趋势

　　3G智能终端的数据处理速度和响应性能日益提高，需要提供给处理芯片更大功率以满足其在功耗方面的要求。降低损耗一直是设计者追求的目标之一，传统的总线电压为3.3V，可通过优化电压等级的方式来克服由于主频的增加带来的损耗方面的影响。按照摩尔定律，每18个月芯片的集成度会增加2倍，因此很难断定电压会降低到何种程度为止。如果这种趋势无限制地持续下去，可以预想对电源的要求会越来越高。我们可以参考ITRS在2001年对CPU供电电压和电流的预测，其预测在2012年前后核心处理芯片的供电电压将低至0.75V以下，基本上来看该预测结果是符合实际情况的。

　　多相交错并联结构

　　多相交错并联结构技术适用于高频、低压大电流场合，能满足DC-DC变换器日益提高的可靠性、效率和功率密度的要求，已成为小功率直流变换器研究领域的重要内容之一。尤其在智能移动产品中，需要电源芯片有更高的效率、更快的动态性能以及更小的干扰。多相交错并联电路的等效开关频率增加到原来频率的n倍（n为并联相数），因此受到开关频率限制的临界带宽限制也可以相应地提升。例如，在保持输出单相开关频率与总电容值基本不变情况下，通过并联多个高频磁片电容减小ESR，临界带宽会变宽而临界电感变小。此时通过增加带宽到此ESR对应的临界带宽和减小每相输出电感量到临界电感量的手段，瞬态输出纹波的最小值可以减小，动态特性可以提升。总的来说，多相交错并联技术可以在不增加直流变换器开关频率的基础上，不但减小了输出纹波和输出电容，而且可以一定程度上改善输出动态响应。反之，如果维持与单相buck变换器相同的输出纹波和输出电容，则可将多相交错并联变换器的开关频率降为1/n（n为并联的相数），这样就能显著降低开关损耗，提高效率。

　　与传统的单相buck变换器相比多相交错并联结构增加了一个或多个变换通道，每个变换器通道的控制信号相位间隔360o/n。这样做的好处是：a） 功率平均分配在各个通道中，散热性能良好，芯片设计简单；b） 输出电流可以达到更大，工作电压可低至1V以下；c） 等效工作频率是原来的n倍，加快了负载的瞬态响应速度，降低了输出纹波；d） 反之，维持同样的响应速度和输出纹波可以降低开关频率，提高效率，改善热性能；e） 可以使用更小的输出电感和电容等输出元件，PCB布局得到改善。总之，多相交错并联buck变换器即将出现在智能手机的应用中，满足应用处理器、图形处理器等低电压、大电流核心芯片不断发展的需求。

　　单电感多路变换器

　　单电感多路输出DC-DC变换器（SIMO）是利用单个电感实现多路输出的直流变换器，因其高效灵活又节约成本得到了学术界与产业界的广泛研究与关注，并出现在手机电源方案中。单电感多路变换器可以实现多路buck变换器、多路boost变换器甚至多路buck、boost、负压混合变换器。结构和控制虽然比较复杂，但在手机电源的应用领域由于其突出特点和优势，将会改善电源管理单元（PMU）片外元件的电感数量以及PCB走线布局。作为单电感多路输出变换器的基本拓扑分析，这里给出单电感双路输出变换器（SIDO）的拓扑及控制结构，如图2所示。

　　从图中可以看到，变换器有两个输出，但共用一颗电感，比传统的双路buck变换器少一颗电感。如果这种拓扑在PMU中实现，那么节省下来的电感则更多，这种拓扑的优势越发明显。但由于在每路输出端均串入一开关管，所以势必会大大提高输出纹波。有研究者提出，如果在两路输出端之间并入一颗飞跨电容Cf，则能大大降低输出的纹波值。有数据说明，在电感电流连续（CCM）状态以及一定的输入/输出电压下，输出电压纹波能够优化到30mV左右。

　　除了优化PMU片外元件以及PCB布局走线外，单电感多路变换器还可以实现升压/负压输出，以满足AMOLED的应用。

　　结论

　　综上所述，智能移动产品的功能与性能将不断强化和提升，电源方案也必须要满足系统在尺寸、空间、效率、输出电压品质以及动态特性等各个方面的要求。为了适应新的应用要求与技术发展方向，未来多相交错并联技术和单电感多路输出变换器技术将在智能移动产品电源解决方案中得到广泛应用。