如何在移动产品中对功耗进行细化

作者：Upal Sengupta，高级应用工程师
德州仪器电池管理解决方案业务部

在我从事便携式设备开发工作的大多数时间里，一直被教导“越少未必越好”。PC 电路板上的集成电路 (IC) 数量越少，就越好。自从第一款便携式计算机和移动电话在 20 到 30 年前问世以来，我们就始终孜孜不倦地在为更小巧、更轻薄以及更低价格而努力。当然这种集成趋势在很大程度上是由半导体工艺技术的快速进步所带来的。虽然不太好意思承认，但我的确记不清“亚微米技术”是什么时候成为主流的。老实说，到现在我也记不起来我最后一次使用工艺技术为 1 微米左右的 IC 是在什么时候。

多年来，我所在的团队一直在负责开发适用于移动电话的高集成度 PMIC 器件。在从 20 世纪 90 年代第一款数字 (2G) 产品出现到大约 2007 至 2008 年 3G 产品成为主流的这段时间里，我观察到一个相当稳定的趋势。我们在系统的 PMIC 中整合的内容越多就越好，我们的目标是减少芯片数量，这相当于降低成本。早在 1996 年，我们就知道“有一天”移动电话会风靡开来，因而确实应该价格低廉。当然我们当时的最终目标是开发“单芯片移动电话”。我承认，其实我们中许多人的真实想法是至少两颗芯片，一个模拟的和一个数字的，但事实远没这么简单。

随着电话功能的增多以及相应内部电源轨数量的增多，我们的 PMIC器件在功能上也变得越来越强大。但实际的芯片/封装尺寸并没有变大，原因在于虽然我们增加了功能，但 IC 工艺和封装技术的进步让我们能将这些特性大致地整合到相同大小的尺寸中。在上个世纪 90 年代中期，我们“业界一流”的 PMIC或许有五个直流输出电源轨、一对音频放大器和一个可驱动外部功率 FET 的线性电池充电器。封装尺寸大约是 8mm x 8mm，有 48 个引脚。10 年后，我们采用 100 到 200 个焊球的 BGA 封装，尺寸约为 8mm x 8mm 及至更小，没有外部 FET，能提供 15 到 20 个电源轨和开关充电模式。我们确实从一代 PMIC 到另一代 PMIC 实现了以更少获得更多。

但在过去几年里，另一种趋势不断显现。虽然我们将器件的尺寸今年比去年，这10年比上10年做得更小，但到某个点的时候我们可能会意识到这个世界上不是所有的事物都遵循摩尔定律。毕竟它不是纯粹的“定律”，更多只是一种观察。此外，还得出了一个结果，那就是越来越小的硅芯片工艺尺寸并非始终适用于电源 IC。

那么如何在移动产品中对功耗进行细化？大致来说，消耗电量的主要负荷有处理器、无线电广播、显示器和电池（在充电的时候）。随着移动系统的日趋复杂以及从 3G 向 4G 演进发展，我们发现 PMIC 集成度不断提高的趋势开始发生轻微的逆转。虽然系统 PMIC 仍然是拥有众多功能的相对大型的复杂器件，但这些高功率功能中的一部分正被转移给外部电路。特别是 RFPA 电源、显示器背光驱动器和电池充电器 IC 已实现了外部实施。如果有一个 3 安时的电池，需要在 1 小时内完成充电，除非想看到 PC 电路板上冒出青烟，否则没有其他方法可以使用。

作为工程师，有时我们会忘记我们所做的一切的动力是客户（无论是个人消费者还是企业客户）愿意为之付款的产品和服务。伴随近期移动技术势不可挡的蓬勃发展，我们知道人们想要高速数据、明亮的大屏幕，而且希望随时随地都能使用自己的设备。因此，为了实现这些期望，我们需要电源。更强大的功能意味着需要体积更大、容量更大的电池。

更高容量的电池意味着更大电流的充电器，在智能电话和平板电脑领域我们已走到了这一步，即将电源转换解决方案分解成多个组件是合理的做法。为此，某些我们以往的 PMIC 设计人员正在再度设计独立的电池充电器！幸运的是，在具有高效率充电器的情况下，我们现在既能够用 2、3 乃至 4 安培的电流充电，而且还能够让 PC 电路板上的组件高度不超过 1 到 2mm。

因此，在具体到模拟和电源转换电路领域，我们不能始终持有“越少越好”的想法。有时候，如何您想要更多，那么您只有投入更多才能获得。所以越少未必就一直是越好。也许对于电源来说，“大就是全新的小 (Big is the new Small)”才是新的现状。

审核编辑：符乾江