多媒体手机的电源管理分析

新应用处理器的电源

为了使手机外形小巧，使用集成电源管理单元(PMU)是非常普遍的。PMU的优点是简化了电源设计，而且与使用几个分立元件电源解决方案相比，减小了解决方案的总体尺寸。但是，相反的是，多媒体功能的快速发展增加了独立稳压器的使用。由于新应用处理器增加了多媒体特性，所以现有的PMU不足以满足其日益提高的电源要求。另一方面，手机开发的时间越来越短，使设计人员不能等待PMU的升级。因此，独立稳压器被用于提供新手机所需的额外系统功率。

除了考虑解决方案的成本因素外，选择独立稳压器最重要的三个标准是(不同设计的优先考虑因素不同)：1. 低噪声：稳压不能产生干扰周围射频系统的噪声或EMI。2. 功耗低：这意味着完全工作时效率高，且在轻载和待机状态下电流小。3. 解决方案尺寸小(大小和高度)：稳压器必需在一个高度低的封装内，而且外部无源元件也要细小。

同步步降转换器的功耗

新处理器的理想稳压器是DC/DC步降转换器，其电源效率高(超过90%)，因此对板的散热也较小。图1显示了集成了MPEG-4编解码器的手机平台系统框图。同步步降转换器NCP1521用于提供芯片组的芯核电压和I/O电路的电源电压。内置同步整流器后，此降压转换器不需要外部肖特基二极管，它提供了优异的效率，完全工作时效率范围在90%到96%之间。它提供的可调电压在0.9V和3.3V之间，输出电流高达600mA。

在手机中，当微处理器长期处于待机状态，转换器进入轻载区域，效率将降到90%以下。为了降低长期待机时的功耗，NCP1521提供了一种解决方案，可以自动从高频PWM转换到脉冲频率模式(PFM)，其开关频率与负载成正比，因此在轻载情况下产生的功耗较小。

尺寸小的解决方案

为了减小解决方案总体尺寸，新的降压转换器使用的开关频率在1MHz和2MHz之间。为了展示开关频率的效果，我们采用市场上的1MHz步降转换器，它使用优化的L-C滤波器值：L=10uH，Cout=10uF。对开关频率为1.5MHz的NCP1521，它要求的输出滤波器为：L=2.2uH，Cout=10uF。同样地，振荡频率为3MHz的NCP1522，优化的L-C滤波器值是L=2.2uH，Cout=4.7uF。结果总结如表所示。

　　表1：L-C滤波器值与转换器开关频率的比较

这一比较表明，开关频率越高，所需的电感和输出电容越小，因此解决方案的总体尺寸也越小。在PCB空间高度受限的多媒体手机设计中，建议采用开关频率较高的NCP1522，以减小解决方案尺寸，并降低无源元件的成本。

引脚尺寸为3x3的SOT23-5是目前同步步降转换器的业内标准封装。但市场上有更小的封装选择(如芯片级和DFN封装)，以满足设计人员进一步降低解决方案尺寸的需求。

进一步的集成：降压和LDO集成在一个封装中

从上述内容中，我们已经看到，芯核电压低、功率需求高的新应用处理器最好使用DC-DC降压转换器供电。另一方面，输入电压高达2.8V到3.3V的射频敏感的模拟电路大多数依然由低噪声LDO供电。带降压转换器和低噪声LDO的集成功率集成电路(NCP1526)，为作为欧洲市场数字电视标准的DVB-H或具DMB启动的手机提供了灵活紧凑的解决方案。

多媒体手机中的音频回放挑战

便携式多媒体功能向手机中的音频放大提出了两大挑战。首先，多媒体手机需要持续2小时以上的音乐和视频回放；其次，手机上的音频体验将接近家庭音像系统。手机音频回放可以得到清晰、立体和带重低音的强大音频。

目前主流的手机扬声器由AB类音频放大器驱动。当MP3成为流行应用，且回放时间从几分钟增加到几小时以后，效率低和散热差的AB类放大器再也不能符合要求。因此越来越多的新设计采用了D类音频放大器。

中等价钱手机的音频放大功耗一般低于100mW。最大输出功率可达500mW。如图2所示，我们可以比较一个典型的AB类和一个D类音频放大器NCP2820。在50mW时，NCP2820的效率为80%，而AB类仅为20%。对于100mW和500mW之间更高的功率工作范围，D类依然提供稳定的85%到90%的效率，但是AB类依然很低，位于30%和60%之间。这清楚地表明，D类放大器的出色效率，有助于延长音频回放时间。

　　图2：AB类和D类音频放大器(NCP2820)的效率

由于效率低且散热高，AB类放大器不能无饱和或无失真地提供高于1W的输出功率。而D类放大器在开关状态下工作，所以它放大音频信号的效率高，因此可以提供更大的输出功率，以支持大容量音频回放。

对于NCP2820，它能够为一个8欧姆扬声器提供最高为1.4W的功率，而将THD+N依然保持低于1%。由于扬声器输出响应对低频信号进行衰减，所以额外的功率有助于提升低音声音——这在音乐和游戏音频回放中是重要的。

对于立体声4欧姆扬声器这种在MP3播放器中常见的附件，输入电压为5V的NCP2820最高可以为每个通道提供2.56W。在这种情况下，建议用5V至5.5V的恒定电压为放大器供电，以确保恒定的大输出功率。DC/DC升压转换器NCP1422提供5V的恒定电压，为立体声应用中的2个D类放大器供电。

D类放大器设计中的EMI考虑因素

在恒频PWM开关状态下工作的D类放大器可能产生对同一板上射频工作有干扰的EMI。两项关键技术有助防止EMI干扰射频系统。首先，D类放大器应该放置在非常接近扬声器的地方。在立体声应用中，建议采用2个单声道放大器，使设计人员可以将2个放大器放在手机两端的2个扬声器旁边。除此以外，设计人员也应该在放大器的输出部位连接一个EMI滤波器，如铁氧体磁珠。EMI滤波器作为带通滤波器，可以在开关信号沿着导线传播到射频电路之前将其消除。