3G手機(jī)的電源管理與二代手機(jī)完全不一樣，它不僅支持語(yǔ)音功能，還有長(zhǎng)時(shí)間用手機(jī)獲得互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的功能，以及如MP3播放或PDA這樣的娛樂(lè)和商務(wù)功能，甚至視頻功能，這些功能會(huì)消耗大量的電能。因此，必須在電源管理上采用全新的方法，否則這種功能密集的設(shè)備在電池壽命上可能還達(dá)不到用戶(hù)期望值的三分之一，本文將介紹3G手機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中電源管理的策略和發(fā)展趨勢(shì)。

電源設(shè)計(jì)通常是在完全了解電壓、電流和調(diào)整參數(shù)后才確定下來(lái)，電源開(kāi)發(fā)一般在整個(gè)系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的后期進(jìn)行，并且常常遠(yuǎn)離系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商，也可能由OEM或第三方廠(chǎng)商開(kāi)發(fā)，這就會(huì)出現(xiàn)電源模塊與系統(tǒng)模塊要求之間的矛盾，這種情況有時(shí)難以協(xié)調(diào)。

隨著系統(tǒng)性能的要求不斷提高，上述傳統(tǒng)方法已無(wú)法達(dá)到所要求的目標(biāo)。取而代之的將是全新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，它在設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)甚至各個(gè)電路模塊的同時(shí)就要求考慮電源輸送的方式，這樣就可以兼顧以前無(wú)法顧及的兩部分電路之間的協(xié)調(diào)。電源現(xiàn)在被看作是系統(tǒng)本身的一部分，需要分配到其它電路模塊之中以獲得最高的性能和經(jīng)濟(jì)效益。某些電源電路實(shí)際上可嵌入到電源芯片內(nèi)部，并能夠與其它大容量電源輸送芯片進(jìn)行通訊。這種新方法可取得更佳的性能，在設(shè)計(jì)過(guò)程中，電源設(shè)計(jì)工程師要獲得有關(guān)整個(gè)系統(tǒng)的詳細(xì)知識(shí)，并在設(shè)計(jì)早期就參與到OEM的開(kāi)發(fā)當(dāng)中。

本文將以3G手機(jī)的復(fù)雜系統(tǒng)為例，闡述如何以整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法實(shí)現(xiàn)電源管理。

3G手機(jī)的電源要求

今天的數(shù)字手機(jī)已經(jīng)成熟，隨處可見(jiàn)的第二代手機(jī)在電源管理方面能夠適應(yīng)語(yǔ)音工作模式并具有較高的效率。待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一周、通話(huà)時(shí)間可持續(xù)數(shù)小時(shí)的手機(jī)并不少見(jiàn)，用戶(hù)不需額外攜帶笨重的電池。這樣長(zhǎng)的電池使用時(shí)間來(lái)自于功能模塊的智能開(kāi)/關(guān)控制與分布式電源結(jié)構(gòu)的結(jié)合。分布式電源結(jié)構(gòu)是由若干的初級(jí)和次級(jí)調(diào)節(jié)器組成。調(diào)節(jié)器本身為高效的LDO、磁性開(kāi)關(guān)及開(kāi)關(guān)電容，并且都固定在預(yù)設(shè)的電壓上，以適應(yīng)特定電路模塊的需要。

然而，對(duì)3G手機(jī)的電源管理則完全不一樣。這種多模式設(shè)備不僅有語(yǔ)音功能，還有數(shù)據(jù)功能。人們長(zhǎng)時(shí)間用手機(jī)獲得互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。

3G手機(jī)可能還會(huì)提供一些娛樂(lè)功能，如MP3播放機(jī)或PDA一類(lèi)的商務(wù)功能，同時(shí)語(yǔ)音服務(wù)還會(huì)伴隨現(xiàn)場(chǎng)的視頻功能，這些都會(huì)消耗大量的電能。很多新增功能的電路都必須永久性開(kāi)機(jī)，因此無(wú)法使用簡(jiǎn)單的開(kāi)/關(guān)電源管理方式?？傊?，3G電話(huà)在平均功耗方面與2G相比有很大的增加，增加最多的是基帶、照相機(jī)、內(nèi)存及顯示模塊(見(jiàn)圖1)。必須在電源管理上采用全新的方法，否則這種功能密集的設(shè)備在電池壽命上可能還達(dá)不到用戶(hù)期望值的三分之一。

提高電池壽命

我們還是可以通過(guò)全局的系統(tǒng)方法來(lái)找到解決這個(gè)問(wèn)題的方法。為更簡(jiǎn)明地說(shuō)明這一概念，僅以功耗較大的數(shù)字基帶部分作為分析對(duì)象。該數(shù)字電路是手機(jī)的核心部分，必須一直通電才能實(shí)現(xiàn)3G手機(jī)的很多功能。它需要有較高的處理能力，以應(yīng)付壓縮視頻這樣的應(yīng)用，但這種計(jì)算負(fù)載在處理不同內(nèi)容時(shí)會(huì)出現(xiàn)很大的變化，一般情況下其工作負(fù)載相對(duì)來(lái)說(shuō)是較輕的。它需要根據(jù)任務(wù)來(lái)調(diào)整功耗，這種強(qiáng)大的電源管理機(jī)制在筆記本電腦中極為常見(jiàn)，如英特爾的SpeedStep技術(shù)就可根據(jù)處理器的幾種模式調(diào)整電源電壓。這是一種開(kāi)環(huán)技術(shù)，處理器向VRM模塊發(fā)出一個(gè)簡(jiǎn)單的命令來(lái)改變電壓變化的幅度。它取決于該芯片在預(yù)定的速度工作時(shí)所需的功耗和最小電源電壓。這樣，在主電源調(diào)整器的容許范圍內(nèi)可以增加一個(gè)較大的電壓幅度，以保證電路的正常工作。

自適應(yīng)電壓調(diào)整(AVS)

在電壓調(diào)整上，一個(gè)更為先進(jìn)的方法是讓它具有完全的自適應(yīng)性。自適應(yīng)電壓調(diào)整AVS(Adaptive Voltage Scaling)是通過(guò)反饋機(jī)制將電源電壓調(diào)整到給定工作負(fù)載(處理量)所需的最小值。這種閉環(huán)方式可進(jìn)一步減小功耗，但需要將部分電源管理電路置入主處理器。

在傳統(tǒng)的手機(jī)電源管理系統(tǒng)中(圖2)，來(lái)自PLL合成器的時(shí)鐘在饋送到基帶處理器之前要經(jīng)過(guò)調(diào)整。該處理器由一高效電壓調(diào)節(jié)器獲得受控電源電壓V_DD。在保證處理器可達(dá)到最大處理能力的條件下，V_DD被設(shè)在最小的水平上。在不同負(fù)載時(shí)，處理器所需的電壓會(huì)有很大的差異。

累積電能消耗量是電池管理的主要指標(biāo)。由于一塊完全充電的電池所存儲(chǔ)的能量是有限的，不論是開(kāi)/關(guān)控制，還是通過(guò)可變時(shí)鐘來(lái)管理基帶處理器的處理量，所消耗的電能總量是相同的。除時(shí)鐘調(diào)整外，采用AVS可減少大量功耗。

成功實(shí)現(xiàn)AVS的關(guān)鍵是在基帶芯片中集成部分系統(tǒng)電源管理電路，即內(nèi)置AVS控制器(圖3)。這一關(guān)鍵模塊包含專(zhuān)門(mén)的電路和算法，用來(lái)確定給定處理量下的最優(yōu)電壓。通過(guò)向電壓調(diào)整器的參考端輸入饋送誤差信號(hào)，可以生成最優(yōu)的V_DD，無(wú)需提供不必要的電壓余量，從而減少了電能損耗。對(duì)任何閉環(huán)方法來(lái)說(shuō)，環(huán)路帶寬都是很重要的。環(huán)路快速跟蹤并穩(wěn)定的能力決定了基帶電源動(dòng)態(tài)調(diào)整以自適應(yīng)工作負(fù)載突變的能力。

在典型的3G手機(jī)使用方式下，節(jié)省的電能很可觀(guān)。待機(jī)狀態(tài)節(jié)能最大，它僅受泄漏電流的限制；視頻模式不節(jié)能，因?yàn)樵撃Ｊ叫枰^大的計(jì)算處理。這些節(jié)能方法僅適合于基帶處理器功耗部分，對(duì)于其它大量消耗電能的電路模塊(比如射頻部分)并不適合。隨著技術(shù)的進(jìn)步，AVS在延長(zhǎng)多功能3G手機(jī)的電池壽命、滿(mǎn)足性能要求方面必將發(fā)揮重要作用。

電流控制

除了調(diào)整電壓使電池更有效率之外，還可采用其它辦法實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。以手機(jī)的顯示為例。目前，很多電話(huà)都采用白色LED背光顯示，以滿(mǎn)足消費(fèi)者對(duì)更好、更生動(dòng)顯示質(zhì)量的要求。第一代白色LED驅(qū)動(dòng)器采用固定電壓的方法，然而，與紅色和綠色LED不同的是，驅(qū)動(dòng)這些新型LED的正向電壓要高一些，通常在3V至4V之間。這在采用鋰電池等普通電池的應(yīng)用中就需要使用升壓轉(zhuǎn)換器。全LED電路帶來(lái)另一個(gè)復(fù)雜性：即需要恒流源的驅(qū)動(dòng)，而不是恒壓源驅(qū)動(dòng)。因?yàn)樵诤銐涸捶绞?，正向電壓在制造上的差異性?huì)產(chǎn)生更大的亮度差異。為最大限度減少各個(gè)白色LED在亮度及顏色飄移上的不均衡，采用恒流源比恒壓源更好。在很多情況下，由于消除了限流電阻上的功耗，該方法還能提高電源效率。因此，目前的趨勢(shì)是更多地采用恒流源驅(qū)動(dòng)LED。

采用更多的集成

手機(jī)制造商一直面臨將下一代電話(huà)的所有功能都集成到輕巧的外殼中的壓力，因此，集成已成為達(dá)到這一目標(biāo)的有效做法。盡管某些集成可能影響系統(tǒng)性能，但集成有助于實(shí)現(xiàn)更高可靠性、更輕和更小的手機(jī)。在這方面同樣要提高電源效率。以白色LED驅(qū)動(dòng)器為例，電源設(shè)計(jì)工程師已不再采用四個(gè)獨(dú)立的LED驅(qū)動(dòng)器，而將它們集成起來(lái)，在一只芯片中為四個(gè)LED分配電流(圖4)。

由于手機(jī)的功能很多，系統(tǒng)性能是推動(dòng)集成的另一個(gè)因素。電源管理的另一個(gè)很可能的集成發(fā)展趨勢(shì)是將LDO集成到基帶芯片中。對(duì)無(wú)繩電話(huà)來(lái)說(shuō)，這有助于節(jié)省空間和成本。對(duì)于手機(jī)來(lái)說(shuō)，這將提供自L(fǎng)DO輸出到基帶電路的最短路徑。但是集成到基帶芯片中之后將缺少靈活性，基帶芯片的任何變化都會(huì)在其內(nèi)部引起LDO的修改，這樣就比LDO置于電源管理部分的情況花費(fèi)更多的時(shí)間。所以，盡管LDO的集成已在無(wú)繩電話(huà)中采用，但手機(jī)制造商可能不會(huì)重走老路。