3G手机电源管理的设计挑战

    自21世纪一开始，第三代移动通信技术就已经处于主流技术的边缘。然而在过去的时间里，该技术启动所必须的各项技术和运营业务之间并未实现对接，从而导致3G手机的大规模应用的必然推迟。

    2006年是3G走上主要舞台的最后机会。在用户头脑中，手机的概念已经从语音设备发展到了以多媒体为中心的终端设备。手机作为一个多媒体播放设备已是意料之中的，用户期望能依赖该设备播放音乐、数字电视、游戏等相关业务。从客户那里得到的反馈消息给无线运营商们吃了一个“定心丸”，从而促使他们对基础设施进行大量投资来升级网络，以适应从EDGE到W-CDMA的下一代无线通信标准。运营商们也意识到以语音服务为基础的无线市场的竞争日趋激烈，语音电话业务的增长量比较低，尤其是欧洲和北美这些成熟市场，他们必须立即开始提供以数据为中心的多媒体业务，否则利润会变得更低。另一方面，大量的用户需求以及运营商在3G基础设施的重大投资也促使那些主要手机制造商向3G进行重大的战略转移，去争取3G手机市场的领先地位。

    手机的多媒体应用需要高速数据传送，这就凸显了快速移动与数据传送速率之间的取舍问题。虽然2G和2.5G标准(如GPRS、EVDO)提出了用手机实现网上冲浪或者铃声下载这些概念，但下载速度太慢，令人难以忍受，从而使应用受限。

    近年来随着W-CDMA、CDMA-EVDO Rev.A(不久将来的EVDV)的出现，手机的下载速度与以前相比会有显著的提高。W-CDMA的HSPA(高速链路分组接入)标准支持很好的移动性和1Gb/s数据传输率。手机另一个共同的特性就是包含了Wi-Fi连接，支持无线局域网，但是应用却限制在无线热点范围内。还有一些像移动WiMAX这样的标准以及与之等效的韩国WiBro，将无线热点范围扩大到主要都市的各个区域。所有这些技术都促进了传统的语音通信向基于IP的数据通信过渡。

电源管理面临的挑战：

只能增加新功能，不能增加结构尺寸

    新的无线通信标准使下一代手机迅速地发展起来。现在的趋势是：在不增加结构尺寸的情况下，手机要尽其可能具备更多的功能和应用。

    事实上，现在风靡的产品如苹果公司的iPOD及摩托罗拉的Razr已经给便携式电子产品注入了更薄、更优美和更流畅光滑的概念。3G手机支持更快的下载速度。具有MP3播放和视频下载功能的手机日渐普及，手机需要具备大容量存储功能，在手机中集成小于1英寸的硬盘驱动器和大容量闪存，能够使存储容量提高到4G。不过最显著的趋势是将出现不久的mini SD卡和micro SD卡用作为可插拔的存储器件。SD卡可以看成“新型软盘”，用于在PC机和手机之间数据的互相交换，也可以用作为数据(比如照片信息)共享的一种方式。说到照片，对大部分用户而言，手机作为数码相机已是最基本的配置了。在日本具有3百万像素相机功能的手机占据广大的市场，韩国已经开始尝试7百万像素的手机相机，这使得手机看起来更像一个相机而不是电话。除了逐步提高分辨率之外，还在手机中置入更高亮度的闪光灯，从而可以用手机相机拍下高质量的相片。　　

    实际上，下一代的手机里会设计两个相机。高分辨率的相机用于静止画面拍摄，低分辨率的相机用于抓拍短的视频画面。2005年业界谈论最多的手机应用无疑是数字电视功能，韩国在引进数字电视也务方面走在市场的前沿，2005年已经支持DMB标准。几乎所有的专业手机制造商都意识到了该功能的潜力，正在对此加大投资。今年夏天符合全球DVB-H标准的手机已出现在欧洲手机市场，并显示了世界杯的精彩画面。还有其他功能如Wi-Fi和游戏已经对市场形成了冲击，而一些新的应用比如电子支付也处于成长期。不过要满足以上提及的3G手机的各种应用，必须使用专用处理器。　　

如何延长工作时间

    手机用户希望能增加所有新的功能而又不牺牲工作时间和电池寿命。虽然便携式设备的电源管理技术正在不断发展，但每年电源能量密度的改善都只有5%左右，远远不能满足3G手机额外的电源需求。因此重担落在了电源管理的肩上，即在无法依赖电池本身来延长电源工作时间的情况下，需要一种新的解决方案以维持更长的工作时间。使用新型的效率为85-90%的DC-DC降压转换器替代效率仅为40%的线性调节器成为必然趋势。

    3G手机中大多数数字处理器，照相机和主要的存储设备都由开关调节器来控制供电，以便能获得最长的工作时间。当然，诸如Wi-Fi和数字电视处理器这样的新应用同样也需要高效的电源管理。开关调节器还会用来调控下一代CDMA和W-CDMA功率放大器的功率电平，这样平均来说也可以节省50%的电量。但是在手机中采用太多的开关调节器也存在问题，由于每路电源需要一个电感器和输出电容器，开关稳压器还占用较大的电路板面积，在材料成本上的开销也相应增加。这些都是下一代手机必须克服的挑战。

    图1显示出2007年初3G手机电源管理解决方案的框图。

图1：一种3G手机电源解决方案

    为了解决上述所面临的严峻挑战，应该从下面四个方面入手：

选用良好的封装　　

    研发出尽可能小的开关调节器是实现最佳开关调节解决方案的第一步。迄今为止，塑封产品如SOT23在便携式电子产品中具有竞争力。但是现在设计师必须优先考虑芯片级封装技术(例如，国家半导体公司的mico SMD封装技术)，该技术使用非常小的封装可以提供相同的功能。图2给出了相同器件采用塑封与采用芯片级封装的比较，区别是显而易见的。[page]

优化外围器件　　

    下一步由电感器入手来优化外围元件，电感体积最大同时也增加开关调节器的成本。手机使用的常规绕线电感器大小约为3×3×1.5mm，而多层片式电感器的体积就小得多。

    图2也给出了片式电感器与线绕电感器的具体比较。

图2：不同的DC-DC降压转换器解决方案外观尺寸比较

    如果片式电感器大批量投产，在价格上有望比线绕电感便宜30%，这是手机制造商降低材料成本的关键地方。不过多层片式电感器的缺点之一是随着直流电流的增加，其电感值会降到很低；而线绕电感器则不然，在达到饱和电流之前，其电感值都是恒定不变的。系统设计师在选择片式电感器时必须要考虑到这点。表1显示了片式电感器与线绕电感器特性的比较结果。

    我们已讨论了如何减小磁性降压调节器的尺寸。引进电荷泵技术来完成DC-DC的降压转换是达到尺寸和效率最优组合的另一个有效手段，使用开关电容的最大好处是不再需要电感器，而只需要体积很小的陶瓷电容器。这个优点引人注目，因为整体尺寸会比采用磁性电感开关调节器减小约40%，而且还减少了材料成本。

    随着电荷泵技术的发展，采用一个高质量的开关电容器后效率可以达到75%以上，而外形尺寸只是磁性调节器的一半，同时还具有可比的静态电流和精度。对于供电电压低于2V、低电流(小于250mA)的数字负载，考虑的主要因素是效率，因为开关电容和电荷泵的工作时间几乎相同。将磁性的DC-DC变换器与开关电容降压调节器作了一个比较，使用一个550mAh的锂离子电池来测试工作时间，利用电磁降压的工作时间是330分钟，而利用开关电容降压的则是309分钟，这个差别对电池的使用寿命来说可谓微不足道。

表1 采用开关电容技术

改善精度性能　　

    为了减小体积并改善性能，用于3G的下一代数字处理器正在向90纳米和65纳米工艺技术演进，这促使供电电源降低到接近1V。其结果，输出电压的电压精度和瞬态性能成为电源的关键参数。一个要求供电电源为1.2V(公差为±5%)的数字处理器所允许的最大偏差不超过60mV。电源设计者面临的挑战是保证稳压器的输出电压非常稳定，尤其是直流-直流的变换。这些器件还应该具有极好的瞬态响应能力，使得输出电压的上下过冲很小，特别是在输出电流或者输入电压产生突变的场合下。这些性能可通过昂贵的集成电路实现，但由于尺寸的限制，故也不是一个可行的选择。

    电源调节器的另一个关键参数是静态电流，即电源IC自身消耗的电流。为了使手机的待机时间达到最长，该电流必须非常小，因为设备在绝大多数时间上消耗的就是这个电流。为了实现这么低的静态电流，必须采用新的拓扑结构。不过，静态电流越低通常也就意味着调节器性能也越低，而这对于下一代的处理器来说也是不能接受的。