ay: block;">自21世紀一開始,第三代移動通信技術(shù)就已經(jīng)處于主流技術(shù)的邊緣。然而在過去的時間里,該技術(shù)啟動所必須的各項技術(shù)和運營業(yè)務之間并未實現(xiàn)對接,從而導致3G手機的大規(guī)模應用的必然推遲。
2006年是3G走上主要舞臺的最后機會。在用戶頭腦中,手機的概念已經(jīng)從語音設(shè)備發(fā)展到了以多媒體為中心的終端設(shè)備。手機作為一個多媒體播放設(shè)備已是意料之中的,用戶期望能依賴該設(shè)備播放音樂、數(shù)字電視、游戲等相關(guān)業(yè)務。從客戶那里得到的反饋消息給無線運營商們吃了一個“定心丸”,從而促使他們對基礎(chǔ)設(shè)施進行大量投資來升級網(wǎng)絡,以適應從EDGE到W-CDMA的下一代無線通信標準。運營商們也意識到以語音服務為基礎(chǔ)的無線市場的競爭日趨激烈,語音電話業(yè)務的增長量比較低,尤其是歐洲和北美這些成熟市場,他們必須立即開始提供以數(shù)據(jù)為中心的多媒體業(yè)務,否則利潤會變得更低。另一方面,大量的用戶需求以及運營商在3G基礎(chǔ)設(shè)施的重大投資也促使那些主要手機制造商向3G進行重大的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移,去爭取3G手機市場的領(lǐng)先地位。
手機的多媒體應用需要高速數(shù)據(jù)傳送,這就凸顯了快速移動與數(shù)據(jù)傳送速率之間的取舍問題。雖然2G和標準(如GPRS、EVDO)提出了用手機實現(xiàn)網(wǎng)上沖浪或者鈴聲下載這些概念,但下載速度太慢,令人難以忍受,從而使應用受限。
近年來隨著W-CDMA、CDMA-EVDO Rev.A(不久將來的EVDV)的出現(xiàn),手機的下載速度與以前相比會有顯著的提高。W-CDMA的HSPA(高速鏈路分組接入)標準支持很好的移動性和1Gb/s數(shù)據(jù)傳輸率。手機另一個共同的特性就是包含了Wi-Fi連接,支持無線局域網(wǎng),但是應用卻限制在無線熱點范圍內(nèi)。還有一些像移動WiMAX這樣的標準以及與之等效的韓國WiBro,將無線熱點范圍擴大到主要都市的各個區(qū)域。所有這些技術(shù)都促進了傳統(tǒng)的語音通信向基于IP的數(shù)據(jù)通信過渡。
電源管理面臨的挑戰(zhàn):
只能增加新功能,不能增加結(jié)構(gòu)尺寸
新的無線通信標準使下一代手機迅速地發(fā)展起來。現(xiàn)在的趨勢是:在不增加結(jié)構(gòu)尺寸的情況下,手機要盡其可能具備更多的功能和應用。
事實上,現(xiàn)在風靡的產(chǎn)品如蘋果公司的iPOD及摩托羅拉的Razr已經(jīng)給便攜式電子產(chǎn)品注入了更薄、更優(yōu)美和更流暢光滑的概念。3G手機支持更快的下載速度。具有MP3播放和視頻下載功能的手機日漸普及,手機需要具備大容量存儲功能,在手機中集成小于1英寸的硬盤驅(qū)動器和大容量閃存,能夠使存儲容量提高到4G。不過最顯著的趨勢是將出現(xiàn)不久的mini SD卡和micro SD卡用作為可插拔的存儲器件。SD卡可以看成“新型軟盤”,用于在PC機和手機之間數(shù)據(jù)的互相交換,也可以用作為數(shù)據(jù)(比如照片信息)共享的一種方式。說到照片,對大部分用戶而言,手機作為數(shù)碼相機已是最基本的配置了。在日本具有3百萬像素相機功能的手機占據(jù)廣大的市場,韓國已經(jīng)開始嘗試7百萬像素的手機相機,這使得手機看起來更像一個相機而不是電話。除了逐步提高分辨率之外,還在手機中置入更高亮度的閃光燈,從而可以用手機相機拍下高質(zhì)量的相片。
實際上,下一代的手機里會設(shè)計兩個相機。高分辨率的相機用于靜止畫面拍攝,低分辨率的相機用于抓拍短的視頻畫面。2005年業(yè)界談論最多的手機應用無疑是數(shù)字電視功能,韓國在引進數(shù)字電視也務方面走在市場的前沿,2005年已經(jīng)支持DMB標準。幾乎所有的專業(yè)手機制造商都意識到了該功能的潛力,正在對此加大投資。今年夏天符合全球DVB-H標準的手機已出現(xiàn)在歐洲手機市場,并顯示了世界杯的精彩畫面。還有其他功能如Wi-Fi和游戲已經(jīng)對市場形成了沖擊,而一些新的應用比如電子支付也處于成長期。不過要滿足以上提及的3G手機的各種應用,必須使用專用處理器。
如何延長工作時間
手機用戶希望能增加所有新的功能而又不犧牲工作時間和電池壽命。雖然便攜式設(shè)備的電源管理技術(shù)正在不斷發(fā)展,但每年電源能量密度的改善都只有5%左右,遠遠不能滿足3G手機額外的電源需求。因此重擔落在了電源管理的肩上,即在無法依賴電池本身來延長電源工作時間的情況下,需要一種新的解決方案以維持更長的工作時間。使用新型的效率為85-90%的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器替代效率僅為40%的線性調(diào)節(jié)器成為必然趨勢。
3G手機中大多數(shù)數(shù)字處理器,照相機和主要的存儲設(shè)備都由開關(guān)調(diào)節(jié)器來控制供電,以便能獲得最長的工作時間。當然,諸如Wi-Fi和數(shù)字電視處理器這樣的新應用同樣也需要高效的電源管理。開關(guān)調(diào)節(jié)器還會用來調(diào)控下一代CDMA和W-CDMA功率放大器的功率電平,這樣平均來說也可以節(jié)省50%的電量。但是在手機中采用太多的開關(guān)調(diào)節(jié)器也存在問題,由于每路電源需要一個電感器和輸出電容器,開關(guān)穩(wěn)壓器還占用較大的電路板面積,在材料成本上的開銷也相應增加。這些都是下一代手機必須克服的挑戰(zhàn)。
圖1顯示出2007年初3G手機電源管理解決方案的框圖。
圖1:一種3G手機電源解決方案
為了解決上述所面臨的嚴峻挑戰(zhàn),應該從下面四個方面入手:
選用良好的封裝
研發(fā)出盡可能小的開關(guān)調(diào)節(jié)器是實現(xiàn)最佳開關(guān)調(diào)節(jié)解決方案的第一步。迄今為止,塑封產(chǎn)品如SOT23在便攜式電子產(chǎn)品中具有競爭力。但是現(xiàn)在設(shè)計師必須優(yōu)先考慮芯片級封裝技術(shù)(例如,國家半導體公司的mico SMD封裝技術(shù)),該技術(shù)使用非常小的封裝可以提供相同的功能。圖2給出了相同器件采用塑封與采用芯片級封裝的比較,區(qū)別是顯而易見的。
優(yōu)化外圍器件
下一步由電感器入手來優(yōu)化外圍元件,電感體積最大同時也增加開關(guān)調(diào)節(jié)器的成本。手機使用的常規(guī)繞線電感器大小約為3×3×,而多層片式電感器的體積就小得多。
圖2也給出了片式電感器與線繞電感器的具體比較。
圖2:不同的DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器解決方案外觀尺寸比較
如果片式電感器大批量投產(chǎn),在價格上有望比線繞電感便宜30%,這是手機制造商降低材料成本的關(guān)鍵地方。不過多層片式電感器的缺點之一是隨著直流電流的增加,其電感值會降到很低；而線繞電感器則不然,在達到飽和電流之前,其電感值都是恒定不變的。系統(tǒng)設(shè)計師在選擇片式電感器時必須要考慮到這點。表1顯示了片式電感器與線繞電感器特性的比較結(jié)果。
表1
采用開關(guān)電容技術(shù)
我們已討論了如何減小磁性降壓調(diào)節(jié)器的尺寸。引進電荷泵技術(shù)來完成DC-DC的降壓轉(zhuǎn)換是達到尺寸和效率最優(yōu)組合的另一個有效手段,使用開關(guān)電容的最大好處是不再需要電感器,而只需要體積很小的陶瓷電容器。這個優(yōu)點引人注目,因為整體尺寸會比采用磁性電感開關(guān)調(diào)節(jié)器減小約40%,而且還減少了材料成本。
隨著電荷泵技術(shù)的發(fā)展,采用一個高質(zhì)量的開關(guān)電容器后效率可以達到75%以上,而外形尺寸只是磁性調(diào)節(jié)器的一半,同時還具有可比的靜態(tài)電流和精度。對于供電電壓低于2V、低電流(小于250mA)的數(shù)字負載,考慮的主要因素是效率,因為開關(guān)電容和電荷泵的工作時間幾乎相同。將磁性的DC-DC變換器與開關(guān)電容降壓調(diào)節(jié)器作了一個比較,使用一個550mAh的鋰離子電池來測試工作時間,利用電磁降壓的工作時間是330分鐘,而利用開關(guān)電容降壓的則是309分鐘,這個差別對電池的使用壽命來說可謂微不足道。
改善精度性能
為了減小體積并改善性能,用于3G的下一代數(shù)字處理器正在向90納米和65納米工藝技術(shù)演進,這促使供電電源降低到接近1V。其結(jié)果,輸出電壓的電壓精度和瞬態(tài)性能成為電源的關(guān)鍵參數(shù)。一個要求供電電源為(公差為±5%)的數(shù)字處理器所允許的最大偏差不超過60mV。電源設(shè)計者面臨的挑戰(zhàn)是保證穩(wěn)壓器的輸出電壓非常穩(wěn)定,尤其是直流-直流的變換。這些器件還應該具有極好的瞬態(tài)響應能力,使得輸出電壓的上下過沖很小,特別是在輸出電流或者輸入電壓產(chǎn)生突變的場合下。這些性能可通過昂貴的集成電路實現(xiàn),但由于尺寸的限制,故也不是一個可行的選擇。
電源調(diào)節(jié)器的另一個關(guān)鍵參數(shù)是靜態(tài)電流,即電源IC自身消耗的電流。為了使手機的待機時間達到最長,該電流必須非常小,因為設(shè)備在絕大多數(shù)時間上消耗的就是這個電流。為了實現(xiàn)這么低的靜態(tài)電流,必須采用新的拓撲結(jié)構(gòu)。不過,靜態(tài)電流越低通常也就意味著調(diào)節(jié)器性能也越低,而這對于下一代的處理器來說也是不能接受的。
作者:Vik Sangha
便攜式電源產(chǎn)品市場經(jīng)理
國家半導體公司
