近年來不斷增多的功能使手機設計面臨更嚴峻的電源管理挑戰。本文從電壓轉換、穩壓、閃光燈電路、電池充電等方面分析了未來手機的電源管理設計趨勢和各種相應的解決方案。3G手機不僅可以瀏覽網頁、發送電子郵件、拍攝數碼相片，甚至能播放視頻流。手機制造商正面臨越來越大的壓力，因為他們必須把這些功能集成進不斷縮小的體積內，同時要讓手機維持較長的工作時間。

　　未來3G智能手機電源管理設計趨勢分析

　　不斷增多的功能促使手機需要更多不同功率水平的低電壓輸出電平。一個例子是用于圖像處理的應用處理器，它在視頻捕獲期間需要高達360mw的功率。在滿負荷運行時，手機內部系統的負載所需的峰值功率通常將超過4W。這么高的功率會很快耗盡電池的能量。影響電池運行時間的另一重要因素是電源效率和系統電源管理。

　　低電源轉換效率將導致發熱。這種熱量是因為電壓調節器在能量轉換過程中的功率損失而產生的。但手機中沒有用于冷卻的風扇或散熱片，而只有密集封裝的印制電路板。因此沒有任何通道可讓熱量散出。這些熱量會縮短電池壽命，并降低產品的可靠性。由于電壓轉換期間會產生熱量，業界需要重新考慮應該采用何種穩壓器。目前，制造商正在采用開關調節器取代簡單但低效的線性低壓降（LDO）穩壓器，因為開關調節器具有更高的效率。

　　對于可滿足手機內部電源轉換需求的不同電壓穩壓器，我們必須認真考慮它們的優缺點。目前有三種選擇：線性LDO穩壓器、無電感型開關穩壓器（亦稱為充電泵）以及傳統的開關穩壓器（基于電感器） 。線性LDO穩壓器被認為是最簡單的方案，它只能將輸入電壓轉換到更低的電壓。它最顯著的缺點是熱量管理，因為它的轉換效率接近于輸出電壓與輸入電壓的比值。例如，一個LDO的輸入端是標稱為3.6V的單單元鋰離子電池，它在輸出電流為200mA時提供1.8V的輸出電壓，以驅動圖像處理器。那么，它的轉換效率只有50%，因此它會在手機內部產生熱點，同時會縮短電池使用時間。

　　開關穩壓器可避開所有線性穩壓器的效率缺點。通過使用低阻抗開關和磁存儲組件，開關穩壓器的效率能達到96%，從而顯著減少轉換過程的功率損耗。由于工作在非常高的開關頻率（大于2MHz），這可以減小外部電感和電容的尺寸。開關穩壓器的缺點比較少，而且能夠通過良好的設計技術加以克服。介于線性穩壓器與傳統開關穩壓器之間的是充電泵。在充電泵中，外部儲能元件是電容而不是電感。由于沒有電感，它可以減輕潛在的電磁干擾問題，以免影響敏感的RF接收器或藍牙芯片組。充電泵的缺點是有限的輸入輸出電壓比以及有限的輸出電流能力。

　　拍照功能引發的挑戰

　　許多3G手機都能拍照甚至傳送視頻流。不過，當消費者開始接受這些內置相機的手機時，他們要求擁有更高質量的攝像能力。業界已經準備采用改進的圖像傳感器和光學系統，但工程師要特別關注高質量的 “閃光” 照明。閃光燈是獲得良好攝像性能的關鍵，但當你準備在結構緊湊的3G手機上實現這項功能時必須謹慎考慮。

　　對于兩百萬像素照相手機，內置閃光燈的尺寸和性能是系統設計師需要考慮的兩個關鍵因素。現在，閃光照明有兩種實際選擇：白光LED（發光二極管）和閃光燈。表2比較了LED與閃光燈的性能。LED的優勢是具有連續工作能力，而且只需要低密度的支持電路。然而，閃光燈擁有一些對高質量攝像特別重要的特性。它的線源光輸出是點源LED的數百倍，因而可以在大范圍內產生密集且容易發散的光線。此外，閃光燈的色溫是5500°K至6000°K，這非常接近自然光，從而消除了白光LED在藍光峰值輸出時所需的色彩校正。

　　大多數設計師希望擁有氙閃光燈的性能，但他們必須保證電路尺寸和復雜度不會對方案的具體實現造成負面影響。要更好地理解與此任務相關的設計困難，設計師必須仔細考慮閃光燈的物理尺寸和操作以及為了確保它安全、正確地工作所需的支持電路。

　　閃光燈及其支持電路

　　閃光燈通常是一個充滿氙氣的圓柱形玻璃管，其陽極與陰極都直接與氙氣接觸，而沿燈管外表面分布的觸發電極則不與氙氣接觸。氣體擊穿電壓一般是在幾千伏范圍內。一旦發生擊穿，燈阻抗會下降到1W以下，此時流過擊穿氣體的高電流就會產生強烈的可見光。閃光燈由觸發電路和一個可產生高瞬態電流的儲能電容控制。工作時，閃光電容器一般被充電至300V。最初，電容器不能放電，因為閃光燈處于高阻抗狀態。但當觸發電路接到命令后即會給燈施加數千伏的高壓，于是燈被擊穿，從而使電容器放電。對閃光重復率的主要限制是燈能否安全散熱。

　　第二個限制是充電電路給閃光電容器充滿電所需的時間。根據目前的輸入功率、電容值及充電電路特性，充電時間一般在1到5秒之間。閃光電容器充電器基本上是一種具有某些特殊能力的變壓器耦合升壓轉換器。當其 “充電” 控制線為高電位時，穩壓器同步內部功率開關，使升壓變壓器產生高電壓脈沖。然后，這些脈沖再經整流和濾波，產生300V的直流輸出，其轉換效率高達80%。

　　一種可滿足以上所有技術及性能要求的完整閃光燈電路。通過利用LT3468-1（一款采用SOT-23封裝的閃光電容器充電器），該解決方案可提供適合3G手機的緊湊外形。

　　一個肖特基二極管（D2）用來安全箝位T1引起的反向瞬態電壓。升壓變壓器T2用來產生高電壓觸發脈沖。假設C1被完全充電，那么當Q1～Q2使Q3導通時，C2將電流儲存進T2主端。然后，T2副端將高壓觸發脈沖提供給閃光燈，使其電離并導電。C1通過閃光燈放電，從而實現發光。整個電路占位面積小于400mm2且高度不超過6mm （包括閃光燈在內）。

　　電池充電解決方案

　　事實上，所有3G手機都采用鋰離子電池作為主電源。由于散熱及空間的限制，設計師必須仔細考慮選用何種類型的電池充電器，以及還需要哪些特性來確保對電池進行安全及精確的充電。線性鋰離子電池充電器的一個明顯趨勢是封裝尺寸繼續減小。但值得關注的是在充電周期（尤其在高電流階段）冷卻IC所需的板空間或通風條件。充電器的功耗會使IC的接合部溫度上升。加上環境溫度，它會達到足夠高的水平，使IC過熱并降低電路可靠性。

　　此外，如果過熱，許多充電器會停止充電周期，只有當接合部溫度下降后才恢復工作。如果這種高溫持續存在，那么充電器“停止和開始”的反復循環也將繼續發生，從而延長充電時間。為減少這些風險，用戶只能選擇減小充電電流來延長充電時間或增大板面積來散熱。因此，由于增加了PCB散熱面積及熱保護材料，整個系統成本也將上升。

　　對此問題有兩種解決方案。

　　首先，需要一種智能的線性鋰離子電池充電器，它不必為擔心散熱而犧牲PCB面積，并采用一種小型的熱增強封裝，允許它監視自己的接合部溫度以防止過熱。如果達到預設的溫度閾值，充電器能自動減少充電電流以限制功耗，從而使芯片溫度保持在安全水平。第二種解決方案是使用一種即使充電電流很高時也幾乎不發熱的充電器。這要求使用脈沖充電器，它是一種完全不同于線性充電器的技術。脈沖充電器依靠經過良好調節且電流受限的墻上適配器來充電。

　　方案一 ： LTC4059A線性電池充電器

　　LTC4059A是一款用于單節鋰離子電池的線性充電器，它無需使用三個分立功率器件，可快速充電而不用擔心系統過熱。監視器負責報告充電電流值，并指示充電器是何時與輸入電源連接的。它采用盡可能小的封裝但沒有犧牲散熱性能。整個方案僅需兩個分立器件（輸入電容器和一個充電電流編程電阻），占位面積為2.5mm×2.7mm。 LTC4059A采用2mm×2mm DFN封裝，占位面積只有SOT-23封裝的一半，并能提供大約60℃/W的低熱阻，以提高散熱效率。通過適當的PCB布局及散熱設計，LTC4059A可以在輸入電壓為5V的情況下以最高900mA的電流對單節鋰離子電池安全充電。此外，設計時無需考慮最壞情況下的功耗，因為LTC4059A采用了專利的熱管理技術，可以在高功率條件（如環境溫度過高）下自動減小充電電流。

　　方案二 ：帶過流保護功能的LTC4052脈沖充電器

　　LTC4052是一款全集成的脈沖充電器，用于單節4.2V鋰離子/鋰聚合物電池。當輸入電壓為5.25V并以0.8A電流進行快速充電時，LTC4052的功耗大約為280mW，而線性充電器解決方案的功耗則高達1.8W。與采用電感來獲得高效率和低散熱的開關充電器不同，LTC4052采用無電感設計。利用LTC4052設計的700mA至2A鋰離子/鋰聚合物電池充電器電路僅占70mm2 的面積 ，且高度低于1.7mm。通過將功耗減至最低水平，LTC4052可放寬終端設備對熱設計的要求，允許采用更小的封裝、更小的散熱氣流以及更小的PCB面積，而且能消除熱點，從而無需使用散熱片或風扇。

　　LTC4052需要一個電流受限的墻上適配器，以控制充電電流的大小。它還需配備過流保護電路，以便在意外使用較高電流或墻上適配器發生故障時能提供保護。LTC4052是一款全集成的脈沖充電器，無需使用外部MOSFET或阻流二極管。這款獨立的充電器IC具有C/10檢測、充電狀態指示、充電結束定時器、墻上適配器檢測及過流保護等功能。LTC4052的輸入電源可以是4.5V到12V，并具有1%的 飄移電壓精度。

　　智能手機的電源管理設計方案

　　手機功能整合愈來愈多，然電池容量的增長，卻始終未能跟上功能變化腳步，如何在有限容量下，提高手機的使用時間，良好的電源管理與提升工藝技術，都是減少手機功耗的有效作法。傳統只用來應付通訊功能的手機，已無法滿足消費者的應用需求，MP3功能手機成為必要配備，而多種多媒體功能設計，都成為3G手機時代下，業者標榜功能訴求。 具照相攝影功能的手機，需要有復雜的相機引擎與高亮度閃光燈；而隨著無線通訊頻寬增加，應用高速處理器，可提供執行Bluetooth無線傳輸、衛星定位、手機上網、數字電視、語音訊號編/譯碼…等音視訊處理能力。

　　然功能要求愈來愈多的結果，手機電池的負荷勢必更為沉重，手機內部用電設計，也變得更為繁復，因此需要更適合的省電技術，以因應手機中各種功能需求。顯然，如何將大量的功能整合在1個小空間內，整合恰當的高性能模擬與數字組件是最根本的作法。

　　再者，現階段在無法提升手機電池容量情況下，有效壓低數字訊號處理器的功耗變得更為重要，除透過進步的工藝技術降低數字訊號處理器驅動電壓外，良好的電源管理，成為節省手機功耗的不二法則，才能設計出符合消費者對手機長時間使用的需求。

　　圖 多媒體手機，除通訊功能外，各種影音、視訊、無線傳輸能力，已成為手機配備功能，但也同時增加電池功耗，因此需要更多電源管理技術，增加手機使用時間

　　顯示屏幕及射頻區塊 耗電居前兩名

　　一般手機使用時，約有超過90%的時間處于待機狀態，但屏幕上仍然要顯示日期、時間、電池電量、收訊狀態，而此時待機模式的耗電，需要整個屏幕來支持顯示，因此顯示器部分成為手機耗電一大問題。

　　目前手機上大多是使用TFT LCD作為顯示器，LCD屬于被動顯示，需有背光源才能發揮顯示效果。背光源設計，除開關On/Off外，還須有調節驅動電流來改變LED的亮度，調整亮度的方法可借控制正向電流，來減少顯示器功耗，主要方法有2種，1種是利用固定電流來驅動LED，固定電流可消除正向電壓變化導致的電流變化，可以固定 LED亮度；另外1種方法是利用1個電壓電源和1個整流電阻器，來確定產生預期正向電流所需要向LED提供的電壓。

　　除了屏幕是電源功耗一大殺手外，另外1個功耗來源，就是射頻區塊部分。當中以射頻零組件中的功率放大器消耗功率為最大，強調更好輸出效率的放大器電路已愈來愈受重視，同時其功耗也逐漸獲得大幅改善。

　　新一代的移動電話開始采用更低的電池電壓同時，射頻功率放大器就必須改變設計方向，目前HBT射頻功率放大器技術，必須適用于3.0伏特以上電壓，而用于低電壓直流電源上取得高線性射頻功率輸出，就必須仰賴E-pHEMT技術，如此能為手機制造商提供更好的功率加效率（PAE）、低壓操作和高可靠性…等獨特優勢相對于HBT，E-pHEMT技術，具備高電壓下較佳效率，在低偏壓下更具吸引力。由于E-pHEMT組件，可在低于2伏特的低偏壓條件下，維持良好的線性與增益表現，可以避免付出降/升壓轉換器的成本與功率耗損，也能在不加入不必要組件的條件下，提高電池效率并延長手機通話時間。

　　圖 美國國家半導體0.4mm厚的超薄集成電路封裝技術，適用于更輕薄短小的移動電話、顯示器、MP3播放器、PDA及其它可攜式電子產品。

　　壓差線性穩壓器LDO減少音頻功耗

　　手機各種音訊功能，如MP3播放、多和弦鈴聲和FM廣播…等功能，都會增加手機功耗。因此如何讓音訊電路最佳化達到低功耗設計，成為延長電池時間的重要問題。

　　而改善音訊耗電能方法，手機音訊組件多要求具備較好的噪聲抑制、低工作電壓、高功效性能。目前一般最常見采用壓差線性穩壓器（Low Dropout regulator；LDO）來抑制噪聲（PSRR）。線性調壓是最常見且最易應用的電壓調整方式，其優點是封裝體積小、外部組件少，利于電路面積有限的手持裝置設計。

　　LDO是電路板設計上常見的直流轉換組件，LDO都是高電壓轉低電壓工，作原理是類似像分壓原理，其腳位少、可以過濾電源噪聲。但LDO雖然是低轉換電壓，功耗相當低，但仍有部分電力耗損，如果音頻放大器能夠提高到超過60dB，就不需要應用上LDO，可以降低音頻電路功耗。

　　圖 奧地利微電子推出200mA微型超低壓降穩壓器AS1369，僅占1mm2 PCB空間，適合移動電話與PDA…等空間有限裝置。AS1369 LDO可實現性能提升，延長電池壽命。

　　DC/DC電源轉換器產品 可減少LDO需求

　　在電源管理IC選擇中，終端市場對產品尺寸及電源轉換效率要求日益嚴苛，因此屬于低成本但效率較差的LDO線性穩壓器，漸受到電源轉換效率較好，但設計和成本門坎較高的交換式穩壓器（Switching Regulator）威脅，例如直流轉直流轉換器（DC/DC Converter）市場的沖擊與威脅，造成LDO量縮，甚至因此導致價格下跌，價格競爭壓力，讓不少電源IC業者轉投入DC/DC電源產品研發。

　　高頻率的DC/DC轉換器，可讓系統周邊僅須搭配很小的電感或電容即可，進而縮減電路板面積，當手機與數字相機（DSC）朝輕薄設計發展，勢必要減少系統對于單顆LDO需求。因此，使用單組LDO的機率就愈低，不少廠商都轉向投入DC/DC轉換器研發，包括以經營LDO為主的安茂微電子，也正全力投入DC /DC轉換器開發。

　　整合電源管理芯片趨勢

　　1.低階手機基頻芯片整合PMU

　　PMU 主要是用于解決手機內部電源管理問題，發展PMU的主要目標，即是為手機做有效節電，以避免效率轉換損失。目前低階手機芯片的核心主軸基頻芯片，已朝整合 PMU電源管理模式發展，由于基頻芯片整合PMU可節省手機空間，PMU可具不占空間以及高整合性優勢，讓廠商致力于發展基頻芯片整合PMU方案。

　　2.高階手機應用處理器整合PMU

　　而高階手機部分，如3G智能型手機配備多媒體影像、無線傳輸功能設計，其應用處理器耗電量更大，因此就必須發展專用、整合型PMU，以降低應用處理器耗電量。例如，意法半導體就整合了USB OTG高速（High Speed）與音訊編/譯碼（Audio Codec），因應智能型手機對音訊的精致度要求，讓手機具快速數據傳輸功能。而美國國家半導體，也針對LED發展出高整合度照明管理單元 （Lighting Management Unit；LMU）可解決LED耗電速度快的問題。

　　另外，電源管理芯片朝客制化發展，將成為未來趨勢，為提高PMU使用彈性、擴大應用空間，針對某類型市場或處理器平臺，開發出客制化規格，才能創造出業者的市場競爭力。例如德州儀器針對三星的應用處理器，便推出了專屬PMU解決方案，希望通過提供客制化的PMU產品服務，積極開發類型（Catalog）PMU，提高產品市占率。

　　而意法半導體量產的整合型PMU，則是采模塊化策略，盡可能整合高階手機必要功能，如客戶有提出某項功能不合適，只需將該功能關閉繼續保留其它功能，滿足不同客戶對手機定位的要求。

　　圖 美國國家半導體高整合度燈光管理單元（LMU），內建高電壓升壓轉換器及可程序恒流驅動器，可以控制顯示器背光系統內高達20個串聯發光二極管，以及驅動設于小鍵盤和相機閃光燈內的發光二極管與紅綠藍 （RGB）光發光二極管。

　　分離式電源芯片 設計彈性佳

　　由于整合性電源管理芯片，仍有功能設計限制及彈性不佳缺點，無法為市面上所有手機附加功能全部整合在內，一旦選擇整合型PMU，如果設計生產過程出現瑕疵問題，則會影響到后續的作業程序；而分離式電源芯片有更多彈性設計，在規格上都能達到兼容，在功能性、設計方案可以有更多選擇性，可避免單一芯片商可能影響設計、生產…等問題。

　　整合性電源管理芯片種種設計限制，凸顯分離式電源芯片有更大彈性及變化優勢，特瑞仕半導體發展的多芯片封裝（MCM）模式，就屬于分離式電源芯片1種，其能針對有些微差異功能的手機，進行電源管理設計與功能變更，而整合型電源管理芯片，只能專用于某型號的手機中。

　　多芯片封裝（MCM）模式與LDO、DC/DC轉換器…等分離式電源管理芯片，其設計彈性大，使其能與整合型PMU市場地位并駕齊驅，而不少業者也紛紛提出類型化、模塊化芯片設計，分離式電源管理芯片可就單一功能進行技術研發，因應未來手機快速汰舊換新、求新求變的產業趨勢中，才能符合手機業者的客制化需求。

　　在提出分離式電源管理芯片業者中，美國國家半導體的移動像素鏈接（Mobile Pixel Link；MPL）實體層技術，針對影像顯示畫素造成的耗電進行管理，以進一步解決電源供應、噪聲、及穩定性問題，該技術主要應用于小型顯示器及數字相機。MPL能將RGB數據影像從原本24位傳送，轉換成18位數據進行傳送，影像訊號傳輸路徑變大，影像也較清晰，還可達到省電效果。

　　電池容量管理 增加使用效率

　　電池轉換技術不斷精進，然而電池容量卻仍趕不上手機廠商需求，與消費者對手機使用時間的滿足。雖然近年來，為提高手機電池使用時間，業者開始專注更多高能量電池開發，但對鋰離子電池的逐步改進預期，也僅能小幅增加2“3成電池容量。

　　電池容量短期內不會有突破性發展，就必須靠妥善管理電池容量，讓電池可以提供更長的使用時間，而適當的電池管理就顯得格外重要。例如對電池的偵測、充電控制、電池保護…等，都可有效管控電池容量狀況。透過電池偵測組件，可以檢視電池剩余電力，用簡單的電荷計量器，由中央處理器負責計算剩余電力，或是通過微控制器的量測組件，提供剩余供電時間、剩余電力、電池電壓、溫度、電流量…等數據數據，可讓使用者更有效掌握電池供電現況。

　　圖說：德儀電池電量監測芯片，可測量電池放電率、溫度、老化程度，及其它因素對電池阻抗的影響，量測電池使用壽命的準確率高達99%。

　　如何解決智能手機電源設計的細節問題

　　今年絕對是國產智能手機的暴發年，主要原因一是MTK平臺的幾大方案公司發力點到了，再借力***與大陸的電源管理IC和攝像頭芯片、GPS芯片推出了千元甚至以內的Android智能手機。另一點是蘋果智能手機的速度推出較慢，讓出了在4.0寸大屏手機的市場，國產手機確實抓到了難得的時機。

　　但另一個問題很快就出來了，就是智能手機出現了同質化的問題和低質化。大多數新出現的國產智能手機品牌都在外觀ID和系統UI上，跟某些品牌的某幾款手機同質化，造成了如同當年山寨機同質化的問題；另一方面，這些手機的系統在安裝眾多應用軟件時，就出現了電源、攝像頭、照相或是無線上網方面的問題。有的是由于主平臺的硬件不足造成，如內存不夠，有的是處理器的主頻不給力，但更多的卻是電池、電源管理IC和外圍器件造成。

　　本人認為，UI 和ID的同質化還是可以接受的問題，但是電源管理方面的問題卻是需要工程師們做更深入的了解。例如智能手機的電池用到15%的時候，就會出現不能攝像拍照的情況，一方面是系統會為了節省電量保證通話或短信的基本功能。另外就是上網和照相這些功能會讓電池出現低過3.8V的情況，很容易造成關機或某些硬件不能正常工作。這樣的結果就是讓消費者認為這屬于產品的質量問題，造成對國產手機的嚴重不信任，非常值得重視。

　　筆者在IIC China 2012展會上，與參展的安捷倫科技產品經理饒騫進行了探討。安捷倫科技在IIC上展示了新推出的N6705B示波器，專門智能手機和芯片的精密耗電分析。饒騫認為，現在的智能手機設計的問題是功耗的問題。但要解決這個問題，首先就要對手機的功耗進行非常即時的監測，要測試到智能手機運行任何功能和應用軟件時電流、電壓和電池的情況。通過對電源各種信息的記錄和分析，才能讓手機芯片設計和系統設計的工程師了解到如何對智能手機進行相關的改進。

　　饒騫表示，N6705B示波器另外一個功能就是它本身就可以用來模仿手機的照像、GPRS上網、通話、短信等各種功能時的實際耗電情況，從而達到智能手機的電池內阻進行仿真功能，這款設備適合特別適合于智能手機的芯片設計和系統設計的工程師使用。

　　此外，隨著便攜式設備的功能越來越豐富，這款示波器還可以幫助到像平板電腦、數碼相機、手持游戲機等多種電池供電的便攜式終端設計測試。