3G手機系統設計的電源管理策略和發展趨勢

　　3G手機的電源管理與二代手機完全不一樣，它不僅支持語音功能，還有長時間用手機獲得互聯網服務的功能，以及如MP3播放或PDA這樣的娛樂和商務功能，甚至視頻功能，這些功能會消耗大量的電能。因此，必須在電源管理上采用全新的方法，否則這種功能密集的設備在電池壽命上可能還達不到用戶期望值的三分之一，本文將介紹3G手機系統設計中電源管理的策略和發展趨勢。

　　電源設計通常是在完全了解電壓、電流和調整參數后才確定下來，電源開發一般在整個系統開發的后期進行，并且常常遠離系統開發商，也可能由OEM或第三方廠商開發，這就會出現電源模塊與系統模塊要求之間的矛盾，這種情況有時難以協調。

　　隨著系統性能的要求不斷提高，上述傳統方法已無法達到所要求的目標。取而代之的將是全新的系統設計方法，它在設計系統結構甚至各個電路模塊的同時就要求考慮電源輸送的方式，這樣就可以兼顧以前無法顧及的兩部分電路之間的協調。電源現在被看作是系統本身的一部分，需要分配到其它電路模塊之中以獲得最高的性能和經濟效益。某些電源電路實際上可嵌入到電源芯片內部，并能夠與其它大容量電源輸送芯片進行通訊。這種新方法可取得更佳的性能，在設計過程中，電源設計工程師要獲得有關整個系統的詳細知識，并在設計早期就參與到OEM的開發當中。

　　本文將以3G手機的復雜系統為例，闡述如何以整體系統設計方法實現電源管理。

3G手機的電源要求

　　今天的數字手機已經成熟，隨處可見的第二代手機在電源管理方面能夠適應語音工作模式并具有較高的效率。待機時間長達一周、通話時間可持續數小時的手機并不少見，用戶不需額外攜帶笨重的電池。這樣長的電池使用時間來自于功能模塊的智能開/關控制與分布式電源結構的結合。分布式電源結構是由若干的初級和次級調節器組成。調節器本身為高效的LDO、磁性開關及開關電容，并且都固定在預設的電壓上，以適應特定電路模塊的需要。

　　然而，對3G手機的電源管理則完全不一樣。這種多模式設備不僅有語音功能，還有數據功能。人們長時間用手機獲得互聯網服務。

　　3G手機可能還會提供一些娛樂功能，如MP3播放機或PDA一類的商務功能，同時語音服務還會伴隨現場的視頻功能，這些都會消耗大量的電能。很多新增功能的電路都必須永久性開機，因此無法使用簡單的開/關電源管理方式?？傊?G電話在平均功耗方面與2G相比有很大的增加，增加最多的是基帶、照相機、內存及顯示模塊(見圖1)。必須在電源管理上采用全新的方法，否則這種功能密集的設備在電池壽命上可能還達不到用戶期望值的三分之一。

提高電池壽命

　　我們還是可以通過全局的系統方法來找到解決這個問題的方法。為更簡明地說明這一概念，僅以功耗較大的數字基帶部分作為分析對象。該數字電路是手機的核心部分，必須一直通電才能實現3G手機的很多功能。它需要有較高的處理能力，以應付壓縮視頻這樣的應用，但這種計算負載在處理不同內容時會出現很大的變化，一般情況下其工作負載相對來說是較輕的。它需要根據任務來調整功耗，這種強大的電源管理機制在筆記本電腦中極為常見，如英特爾的SpeedStep技術就可根據處理器的幾種模式調整電源電壓。這是一種開環技術，處理器向VRM模塊發出一個簡單的命令來改變電壓變化的幅度。它取決于該芯片在預定的速度工作時所需的功耗和最小電源電壓。這樣，在主電源調整器的容許范圍內可以增加一個較大的電壓幅度，以保證電路的正常工作。

自適應電壓調整(AVS)

　　在電壓調整上，一個更為先進的方法是讓它具有完全的自適應性。自適應電壓調整AVS(Adaptive Voltage Scaling)是通過反饋機制將電源電壓調整到給定工作負載(處理量)所需的最小值。這種閉環方式可進一步減小功耗，但需要將部分電源管理電路置入主處理器。

　　在傳統的手機電源管理系統中(圖2)，來自PLL合成器的時鐘在饋送到基帶處理器之前要經過調整。該處理器由一高效電壓調節器獲得受控電源電壓VDD。在保證處理器可達到最大處理能力的條件下，VDD被設在最小的水平上。在不同負載時，處理器所需的電壓會有很大的差異。

　　累積電能消耗量是電池管理的主要指標。由于一塊完全充電的電池所存儲的能量是有限的，不論是開/關控制，還是通過可變時鐘來管理基帶處理器的處理量，所消耗的電能總量是相同的。除時鐘調整外，采用AVS可減少大量功耗。

　　成功實現AVS的關鍵是在基帶芯片中集成部分系統電源管理電路，即內置AVS控制器(圖3)。這一關鍵模塊包含專門的電路和算法，用來確定給定處理量下的最優電壓。通過向電壓調整器的參考端輸入饋送誤差信號，可以生成最優的VDD，無需提供不必要的電壓余量，從而減少了電能損耗。對任何閉環方法來說，環路帶寬都是很重要的。環路快速跟蹤并穩定的能力決定了基帶電源動態調整以自適應工作負載突變的能力。

　　在典型的3G手機使用方式下，節省的電能很可觀。待機狀態節能最大，它僅受泄漏電流的限制；視頻模式不節能，因為該模式需要較大的計算處理。這些節能方法僅適合于基帶處理器功耗部分，對于其它大量消耗電能的電路模塊(比如射頻部分)并不適合。隨著技術的進步，AVS在延長多功能3G手機的電池壽命、滿足性能要求方面必將發揮重要作用。

電流控制

　　除了調整電壓使電池更有效率之外，還可采用其它辦法實現這一目標。以手機的顯示為例。目前，很多電話都采用白色LED背光顯示，以滿足消費者對更好、更生動顯示質量的要求。第一代白色LED驅動器采用固定電壓的方法，然而，與紅色和綠色LED不同的是，驅動這些新型LED的正向電壓要高一些，通常在3V至4V之間。這在采用鋰電池等普通電池的應用中就需要使用升壓轉換器。全LED電路帶來另一個復雜性：即需要恒流源的驅動，而不是恒壓源驅動。因為在恒壓源方式，正向電壓在制造上的差異性會產生更大的亮度差異。為最大限度減少各個白色LED在亮度及顏色飄移上的不均衡，采用恒流源比恒壓源更好。在很多情況下，由于消除了限流電阻上的功耗，該方法還能提高電源效率。因此，目前的趨勢是更多地采用恒流源驅動LED。

采用更多的集成

　　手機制造商一直面臨將下一代電話的所有功能都集成到輕巧的外殼中的壓力，因此，集成已成為達到這一目標的有效做法。盡管某些集成可能影響系統性能，但集成有助于實現更高可靠性、更輕和更小的手機。在這方面同樣要提高電源效率。以白色LED驅動器為例，電源設計工程師已不再采用四個獨立的LED驅動器，而將它們集成起來，在一只芯片中為四個LED分配電流(圖4)。

　　由于手機的功能很多，系統性能是推動集成的另一個因素。電源管理的另一個很可能的集成發展趨勢是將LDO集成到基帶芯片中。對無繩電話來說，這有助于節省空間和成本。對于手機來說，這將提供自LDO輸出到基帶電路的最短路徑。但是集成到基帶芯片中之后將缺少靈活性，基帶芯片的任何變化都會在其內部引起LDO的修改，這樣就比LDO置于電源管理部分的情況花費更多的時間。所以，盡管LDO的集成已在無繩電話中采用，但手機制造商可能不會重走老路。