延长手机电池使用时间的FAN5902方案

电池没电或者经常需要充电，哪一种更令人烦恼？现今手机(特别是智能型手机)在世界各地迅速普及，一周七天，一天二十四小时，人们随时都保持着联机 的状态。消费者似乎总是没完没了地进行语音通话、收发电子邮件、发送短信和上网，永不知足。可是所有这些手机功能都会消耗电池电量，眨眼之间，电池就只剩 下一格电量了。如何才能延长手机的使用时间呢？当然，理论上只要使用较大的电池就能解决问题，但是用户总是希望手机越轻巧、越纤薄、越光滑越好，所以增大电池这个选择是用户所不能接受的。设计工程师不断研发提高功率管理性能的方法，并把焦点集中在对功耗影响最大的三个部份。在手机中，除基带处理器和射频收发器之外，最能消耗电量的三个部份分别是功率放大器(PA)、显示屏幕和应用/图像处理器。为什么这三个部份会成为焦点呢？原因在于：现在人们往往同时通话和上网，这时，显示屏幕总是处于开启状态；此外，PA必须一直工作，以便向基站发射语音通话和数据；最后，要观看网络影片或进行其它应用，应用处理器也 必须保持运行。

3G网络的PA在信号较弱时的功耗尤其大，因为它需要更大的输出功率才能连接到基站，并保持线性度要求以确保3G信号的不失真。3G PA的耗电量与输出功率有关，输出功率越大，电池中的电流也就消耗的越多。当发射信号需要更大的输出功率，则消耗更多的电流。目前市面上有两种可降低PA 耗电量的新技术：DC-DC转换器和包络跟踪 (envelope tracking)。DC-DC转换器在智能型手机中的运用日益广泛，它的工作原理是把3G PA的电源电压步降至既能够满足所需输出功率级要求、同时又能大大降低耗电量的级别。采用这种解决方案可带来双重好处――第一是延长通话/使用时间，第二 则是减少散热。飞兆半导体的FAN5902就是专门针对3G PA而设计的一款附有旁路模式的800mA、6MHz 降压DC-DC转换器，可以降低功耗，延长连接/通话时间。

FAN5902与基带处理器和3G PA协同工作以降低耗电量。基带处理器会根据它从基站接收到的信息来设定PA的输出功率等级，然后再将之转换为FAN5902的控制电压，输出给PA。借 着动态地调节PA的电源电压和电流，FAN5902能够延长至少15%的手机通话和数据使用时间。


显示屏幕是在PA之后的第二大主要耗电部件，因为使用者无论是查询或搜寻联络信息、上网浏览、阅读电子邮件还是观赏移动电视/ YouTube?影片，显示屏幕总是处于开启的状态。TFT LCD是目前主要的显示技术，而它需要白光LED来提供背光。这种趋势在尺寸较大的LCD显示屏幕市场比较明显，故意味着需要较多的白光LED来为显示屏 幕提供有效的背光，也就意味着需要为LED和显示屏幕本身提供更大的电流。在高端手机和智能型手机中，同时采用动态背光控制(dynamic backlight control, DBC)和自动调光功能(auto luminous control, ALC)不仅可以使耗电量尽量减小，还能提升用户的视觉体验。ALC需要采用一个环境光传感器(ambient light sensor)来检测周围环境的光强度，并根据程序在LED驱动器或应用处理器中的算法来设定LED电流。

因此，LED电流会根据照明条件来设定。当四周环境很暗时，LED电流被设定为低，而阳光直射时就设定为最大。另一方面，DBC技术可根据显示屏幕上的图 像/影片内容来调节LED电流：若影片中某个场景的内容比较昏暗，这时LED电流也较低；若场景较明亮，则反之。DBC根据图像处理器或LCD驱动器IC 发出的脉宽调制(PWM)信号对电流进行编程，并随显示的影片内容的变化而不断改变。图 3(a)所示为飞兆半导体通过屏幕获取软件程序得到的ALC和DBC工作情况，用来展示环境光亮度级别(左图)和相应的LED电流。虽然不能充分说明，但 由外部PWM 的“蓝色显示棒”仍可看出DBC的作用，静态PWM级则随着图像或影片内容升高或降低。
 

飞兆半导体的FAN5702 是带I2C接口的180mA 电荷泵LED驱动器，可经由配置来提供ALC 和 DBC功能。环境光传感器与应用处理器或基带处理器连接，接收输入并根据外部照明条件的算法来确定适合的LED电流水平。这个数据经由I2C接口发送给 FAN5702，再根据资料来设定LED电流。FAN5702的PWM/EN接脚针对PWM工作而编程，且与LCD 驱动器 IC连接，后者根据显示屏幕上的图像/影片内容把PWM信号发送给FAN5702。图4所示为同时采用了ALC 和 DBC的FAN5702的系统模块示意图。手机显示屏幕采用ALC 和 DBC将有助于节省多达50%的功耗。

第三大主要功耗部件是应用/图像处理器；如果显示屏幕是开启的，则该芯片组将全面运行。不过，它也并非总是一直处于满功率运行状态。例如，当芯片组以较低 功率水平运行时，可以采用动态电压调节技术(DVS)。这是一种非常适合于手机及其它便携式电子产品的解决方案，因为其电源电压可被调降至更低的核心电 压，并可以让芯片组在较低频率频率下工作， 从而有助于降低耗电量。

这里，功率(P)与频率频率(f)和核心电压(V)的平方之乘积成正比。因此，处理器的频率频率越快，功耗越大。而随着核心电压减少，功耗会以平方的速度降低。

应用处理器可以采用FAN5365来供电， FAN5365是一款附带 I2C接口的 6MHz、 800mA/1A 步降式 DC-DC 转换器，能够提供最佳省电效果。I2C接口可用来以12.5mV的步长在0.75V 到 1.975V的范围内对电压进行动态编程，以满足芯片组的处理能力要求。当使用者观赏网上的影片时，FAN5365能够为应用处理器提供1.2V的核心电 压，以获得最大的处理能力，而一旦影片短片结束，电压就会降至0.8V，进入较低电平工作状态。

目前有多种简单或复杂的技术，可以提高手机(尤其是智能型手机)的整体功率管理性能。通过在手机中整合分别针对PA、显示屏幕和处理器核心的一种或所有三 种功率管理解决方案，就能够大幅地节省能源，延长手机工作时间。这些设计都是从手机的用户体验和需求出发，因为用户真正关心的是，不要在关键时刻出现手机 没电的尴尬局面，以及不必频繁地为手机充电。