延長手機電池使用時間的FAN5902方案

電池沒電或者經常需要充電，哪一種更令人煩惱？現今手機(特別是智能型手機)在世界各地迅速普及，一周七天，一天二十四小時，人們隨時都保持著聯機 的狀態。消費者似乎總是沒完沒了地進行語音通話、收發電子郵件、發送短信和上網，永不知足。可是所有這些手機功能都會消耗電池電量，眨眼之間，電池就只剩 下一格電量了。如何才能延長手機的使用時間呢？當然，理論上只要使用較大的電池就能解決問題，但是用戶總是希望手機越輕巧、越纖薄、越光滑越好，所以增大電池這個選擇是用戶所不能接受的。設計工程師不斷研發提高功率管理性能的方法，并把焦點集中在對功耗影響最大的三個部份。在手機中，除基帶處理器和射頻收發器之外，最能消耗電量的三個部份分別是功率放大器(PA)、顯示屏幕和應用/圖像處理器。為什么這三個部份會成為焦點呢？原因在于：現在人們往往同時通話和上網，這時，顯示屏幕總是處于開啟狀態；此外，PA必須一直工作，以便向基站發射語音通話和數據；最后，要觀看網絡影片或進行其它應用，應用處理器也 必須保持運行。

3G網絡的PA在信號較弱時的功耗尤其大，因為它需要更大的輸出功率才能連接到基站，并保持線性度要求以確保3G信號的不失真。3G PA的耗電量與輸出功率有關，輸出功率越大，電池中的電流也就消耗的越多。當發射信號需要更大的輸出功率，則消耗更多的電流。目前市面上有兩種可降低PA 耗電量的新技術：DC-DC轉換器和包絡跟蹤 (envelope tracking)。DC-DC轉換器在智能型手機中的運用日益廣泛，它的工作原理是把3G PA的電源電壓步降至既能夠滿足所需輸出功率級要求、同時又能大大降低耗電量的級別。采用這種解決方案可帶來雙重好處――第一是延長通話/使用時間，第二 則是減少散熱。飛兆半導體的FAN5902就是專門針對3G PA而設計的一款附有旁路模式的800mA、6MHz 降壓DC-DC轉換器，可以降低功耗，延長連接/通話時間。

FAN5902與基帶處理器和3G PA協同工作以降低耗電量。基帶處理器會根據它從基站接收到的信息來設定PA的輸出功率等級，然后再將之轉換為FAN5902的控制電壓，輸出給PA。借 著動態地調節PA的電源電壓和電流，FAN5902能夠延長至少15%的手機通話和數據使用時間。

顯示屏幕是在PA之后的第二大主要耗電部件，因為使用者無論是查詢或搜尋聯絡信息、上網瀏覽、閱讀電子郵件還是觀賞移動電視/ YouTube?影片，顯示屏幕總是處于開啟的狀態。TFT LCD是目前主要的顯示技術，而它需要白光LED來提供背光。這種趨勢在尺寸較大的LCD顯示屏幕市場比較明顯，故意味著需要較多的白光LED來為顯示屏 幕提供有效的背光，也就意味著需要為LED和顯示屏幕本身提供更大的電流。在高端手機和智能型手機中，同時采用動態背光控制(dynamic backlight control, DBC)和自動調光功能(auto luminous control, ALC)不僅可以使耗電量盡量減小，還能提升用戶的視覺體驗。ALC需要采用一個環境光傳感器(ambient light sensor)來檢測周圍環境的光強度，并根據程序在LED驅動器或應用處理器中的算法來設定LED電流。

因此，LED電流會根據照明條件來設定。當四周環境很暗時，LED電流被設定為低，而陽光直射時就設定為最大。另一方面，DBC技術可根據顯示屏幕上的圖 像/影片內容來調節LED電流：若影片中某個場景的內容比較昏暗，這時LED電流也較低；若場景較明亮，則反之。DBC根據圖像處理器或LCD驅動器IC 發出的脈寬調制(PWM)信號對電流進行編程，并隨顯示的影片內容的變化而不斷改變。圖 3(a)所示為飛兆半導體通過屏幕獲取軟件程序得到的ALC和DBC工作情況，用來展示環境光亮度級別(左圖)和相應的LED電流。雖然不能充分說明，但 由外部PWM 的“藍色顯示棒”仍可看出DBC的作用，靜態PWM級則隨著圖像或影片內容升高或降低。

飛兆半導體的FAN5702 是帶I2C接口的180mA 電荷泵LED驅動器，可經由配置來提供ALC 和 DBC功能。環境光傳感器與應用處理器或基帶處理器連接，接收輸入并根據外部照明條件的算法來確定適合的LED電流水平。這個數據經由I2C接口發送給 FAN5702，再根據資料來設定LED電流。FAN5702的PWM/EN接腳針對PWM工作而編程，且與LCD 驅動器 IC連接，后者根據顯示屏幕上的圖像/影片內容把PWM信號發送給FAN5702。圖4所示為同時采用了ALC 和 DBC的FAN5702的系統模塊示意圖。手機顯示屏幕采用ALC 和 DBC將有助于節省多達50%的功耗。

第三大主要功耗部件是應用/圖像處理器；如果顯示屏幕是開啟的，則該芯片組將全面運行。不過，它也并非總是一直處于滿功率運行狀態。例如，當芯片組以較低 功率水平運行時，可以采用動態電壓調節技術(DVS)。這是一種非常適合于手機及其它便攜式電子產品的解決方案，因為其電源電壓可被調降至更低的核心電 壓，并可以讓芯片組在較低頻率頻率下工作， 從而有助于降低耗電量。

這里，功率(P)與頻率頻率(f)和核心電壓(V)的平方之乘積成正比。因此，處理器的頻率頻率越快，功耗越大。而隨著核心電壓減少，功耗會以平方的速度降低。

應用處理器可以采用FAN5365來供電， FAN5365是一款附帶 I2C接口的 6MHz、 800mA/1A 步降式 DC-DC 轉換器，能夠提供最佳省電效果。I2C接口可用來以12.5mV的步長在0.75V 到 1.975V的范圍內對電壓進行動態編程，以滿足芯片組的處理能力要求。當使用者觀賞網上的影片時，FAN5365能夠為應用處理器提供1.2V的核心電 壓，以獲得最大的處理能力，而一旦影片短片結束，電壓就會降至0.8V，進入較低電平工作狀態。

目前有多種簡單或復雜的技術，可以提高手機(尤其是智能型手機)的整體功率管理性能。通過在手機中整合分別針對PA、顯示屏幕和處理器核心的一種或所有三 種功率管理解決方案，就能夠大幅地節省能源，延長手機工作時間。這些設計都是從手機的用戶體驗和需求出發，因為用戶真正關心的是，不要在關鍵時刻出現手機 沒電的尷尬局面，以及不必頻繁地為手機充電。