淺談智能手機電源管理解決方案趨勢與展望

　　作為手機基礎芯片的電源管理單元就像一部發動機，驅使智能手機在3G的高速公路上飛馳。雖然現有的電源拓撲方案能滿足當前應用需求，但已慢慢接近技術與器件的瓶頸，亟需突破。

　　如今的智能手機能夠滿足用戶越來越高的要求，比如更大的顯示屏、更多的傳感器、更快速度的無線連接方式、更強大的數據處理能力以及更時尚的云端服務等等，而高清和3D視頻播放、Flash界面、WiFi無線上網更是成為智能手機的必備功能，所以要求移動處理器能夠提供更強的處理能力、更快的處理速度。現在處理器能夠運行主頻達到1.5GHz甚至2GHz以上，這樣勢必對電源管理能力提出了更大的挑戰。第一，需要更高的效率，延長手持終端接入網絡服務的時間；第二，需要的功率密度更大，以滿足終端更大的功率需求；第三，擁有雙核、四核甚至更多核的處理器和更大的內存容量以實現多任務的強大應用功能，所以需要不同電壓等級和上電時序，使得整個系統復雜化；第四，需要高度集成的電源解決方案，減少片外無源器件，使移動便攜產品更加輕巧和緊湊；第五，需要更低的靜態功耗，以實現更長的待機時間；第六，需要更低的核電壓，降低核心芯片的片內功耗。針對電源管理新的發展方向和需求，下面將探討幾種新的適用于手機電源方案的buck、boost變換器拓撲，并對關鍵技術指標的發展趨勢進行展望。

　　高頻化的渴望與無奈

　　DC-DC變換器的高頻化是電源技術發展的創新技術，高頻化帶來的好處就是使變換器空前地小型化甚至微型化，使得DC-DC變換器能夠進入移動便攜產品應用領域，推動移動產品的小型化與輕便化。變換器的微型化實質上就是盡可能減小其中儲能元件體積，包括儲能電感和濾波電容。此外，高頻化還能夠抑制干擾，改善系統的動態性能，滿足由于核心芯片快速的數據處理以及高速網絡的接入帶來的對電源高品質、高性能的要求。因此，高頻化是智能移動設備電源解決方案的主要發展方向之一。

　　但是，高頻化帶來產品和技術進步的同時，由于損耗產生的熱管理難題一直是如影隨行。變換器損耗主要來源于開關損耗和導通損耗，均直接和片內開關管有關。導通損耗與開關管的材料以及工藝有關，而開關損耗則由開關頻率以及驅動電壓等決定。由于智能手機核心芯片的主頻不斷升級換代，與之配合的電源芯片勢必跟上這個趨勢。但顯而易見的是開關頻率上升到一定的程度就會帶來效率的惡化。因此，雖然高頻化的愿望是美好的，但與之相比效率的惡化則是嚴峻的現實。如何讓現實和美好的愿望完美統一？從下面的討論中我們可以得到一點啟示。

　　對高效率的不懈追求

　　DC-DC變換器的拓撲結構多種多樣，但其功率損耗源基本包括在導通損耗、驅動損耗、分布電感開關損耗、與功率管開關時序有關的損耗、控制電路損耗以及線路損耗等方面，由于這些耗散源頭的存在導致轉換效率永遠小于100%。盡管如此，人們總盼望能把效率提高，無限接近100%。為此，無論是從學術界還是產業界，都試圖從控制技術、新的拓撲、新的工藝以及制程等方面獲得突破，不僅提高峰值效率，還努力提高全范圍的效率。對于智能移動應用領域而言，由于負載電流基本集中在1A以內，個別的負載模塊所需要的電流目前保留在5A以內，所以提高這兩種應用環境下的直流變換器的效率突破點不完全一樣。如果輸出功率不大，影響變換器效率主要在于靜態損耗，包括控制、驅動、開關管通斷切換損耗以及交流回路損耗等等；如果輸出功率較大，則影響變換器效率主要在于開關管導通以及線路損耗。

　　諸如PFM技術、軟開關技術以及多相交錯并聯等都可以提高變換器的效率。軟開關技術的最大優點在于減少開關損耗、提高效率，并可大大減少電磁干擾，其基本思路是利用電感或電容等儲能元件，在開關管開通和關斷時將電壓/電流轉移或諧振到零，從而實現零電壓或零電流開關，實現高效率的高頻化。多相交錯并聯拓撲能在保持相同輸出電壓品質的前提下，降低變換器工作頻率，從而從結構上優化效率；反之如果系統維持相同的工作頻率，則大大優化變換器的輸出紋波與動態性能。這里重點介紹多相交錯并聯拓撲的優勢與特點。

　　低電壓、大電流成必然趨勢

　　3G智能終端的數據處理速度和響應性能日益提高，需要提供給處理芯片更大功率以滿足其在功耗方面的要求。降低損耗一直是設計者追求的目標之一，傳統的總線電壓為3.3V，可通過優化電壓等級的方式來克服由于主頻的增加帶來的損耗方面的影響。按照摩爾定律，每18個月芯片的集成度會增加2倍，因此很難斷定電壓會降低到何種程度為止。如果這種趨勢無限制地持續下去，可以預想對電源的要求會越來越高。我們可以參考ITRS在2001年對CPU供電電壓和電流的預測，其預測在2012年前后核心處理芯片的供電電壓將低至0.75V以下，基本上來看該預測結果是符合實際情況的。

　　多相交錯并聯結構

　　多相交錯并聯結構技術適用于高頻、低壓大電流場合，能滿足DC-DC變換器日益提高的可靠性、效率和功率密度的要求，已成為小功率直流變換器研究領域的重要內容之一。尤其在智能移動產品中，需要電源芯片有更高的效率、更快的動態性能以及更小的干擾。多相交錯并聯電路的等效開關頻率增加到原來頻率的n倍（n為并聯相數），因此受到開關頻率限制的臨界帶寬限制也可以相應地提升。例如，在保持輸出單相開關頻率與總電容值基本不變情況下，通過并聯多個高頻磁片電容減小ESR，臨界帶寬會變寬而臨界電感變小。此時通過增加帶寬到此ESR對應的臨界帶寬和減小每相輸出電感量到臨界電感量的手段，瞬態輸出紋波的最小值可以減小，動態特性可以提升。總的來說，多相交錯并聯技術可以在不增加直流變換器開關頻率的基礎上，不但減小了輸出紋波和輸出電容，而且可以一定程度上改善輸出動態響應。反之，如果維持與單相buck變換器相同的輸出紋波和輸出電容，則可將多相交錯并聯變換器的開關頻率降為1/n（n為并聯的相數），這樣就能顯著降低開關損耗，提高效率。

　　與傳統的單相buck變換器相比多相交錯并聯結構增加了一個或多個變換通道，每個變換器通道的控制信號相位間隔360o/n。這樣做的好處是：a） 功率平均分配在各個通道中，散熱性能良好，芯片設計簡單；b） 輸出電流可以達到更大，工作電壓可低至1V以下；c） 等效工作頻率是原來的n倍，加快了負載的瞬態響應速度，降低了輸出紋波；d） 反之，維持同樣的響應速度和輸出紋波可以降低開關頻率，提高效率，改善熱性能；e） 可以使用更小的輸出電感和電容等輸出元件，PCB布局得到改善。總之，多相交錯并聯buck變換器即將出現在智能手機的應用中，滿足應用處理器、圖形處理器等低電壓、大電流核心芯片不斷發展的需求。

　　單電感多路變換器

　　單電感多路輸出DC-DC變換器（SIMO）是利用單個電感實現多路輸出的直流變換器，因其高效靈活又節約成本得到了學術界與產業界的廣泛研究與關注，并出現在手機電源方案中。單電感多路變換器可以實現多路buck變換器、多路boost變換器甚至多路buck、boost、負壓混合變換器。結構和控制雖然比較復雜，但在手機電源的應用領域由于其突出特點和優勢，將會改善電源管理單元（PMU）片外元件的電感數量以及PCB走線布局。作為單電感多路輸出變換器的基本拓撲分析，這里給出單電感雙路輸出變換器（SIDO）的拓撲及控制結構，如圖2所示。

　　從圖中可以看到，變換器有兩個輸出，但共用一顆電感，比傳統的雙路buck變換器少一顆電感。如果這種拓撲在PMU中實現，那么節省下來的電感則更多，這種拓撲的優勢越發明顯。但由于在每路輸出端均串入一開關管，所以勢必會大大提高輸出紋波。有研究者提出，如果在兩路輸出端之間并入一顆飛跨電容Cf，則能大大降低輸出的紋波值。有數據說明，在電感電流連續（CCM）狀態以及一定的輸入/輸出電壓下，輸出電壓紋波能夠優化到30mV左右。

　　除了優化PMU片外元件以及PCB布局走線外，單電感多路變換器還可以實現升壓/負壓輸出，以滿足AMOLED的應用。

　　結論

　　綜上所述，智能移動產品的功能與性能將不斷強化和提升，電源方案也必須要滿足系統在尺寸、空間、效率、輸出電壓品質以及動態特性等各個方面的要求。為了適應新的應用要求與技術發展方向，未來多相交錯并聯技術和單電感多路輸出變換器技術將在智能移動產品電源解決方案中得到廣泛應用。