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新一代手机电源管理的最佳化挑战

发布时间: 2006-6-29  来源:
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       消费者总是期待先进的2.5G与3G手机能够与现有2G手机拥有相同的外型大小以及电池寿命。2.5G与3G“智能”手机还要能提供语音、数据传输与多媒体功能,例如移动存取电子邮件与个人信息、强大网络浏览功能、声音与视频播放与串流以及丰富的游戏功能等。

  目前业界纷纷积极部署多种未来无线网络技术,以满足高速数据传输系统的需求,其中包括WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access)、UMTS(Universal Mobile Telecommunications Systems)、GPRS(General Packet Radio Service)、以及EDGE(Enhanced Data rates for GSM Evolution)。举个例子,EDGE的数据传输速率可达384kbps,是由未能取得UMTS频谱的移动网络厂商所开发,而被当成是现有GSM/GPRS基础架构的垫脚石。EDGE让现有GSM业者有机会提供传输速度与UMTS网络相近的资料服务。新型“智能”手机就将使用这些服务,为消费者带来全新通讯、资料存取、业务管理以及学习的方式。

  3G服务最早是由日本开始提供。2.5G与3G服务未来五年将逐渐拓展到全球各地,而且会以高人口密度的区域作为初期推广重点。先进的移动电话必须与现有网络系统兼容,以满足用户在各地漫游的需求。2.5G GPRS和EDGE服务大致可与GSM的基础架构兼容,3G手机则须具备双模功能才能在3G服务区域外使用。3G手机本身的特性与新增功能,再加上回溯兼容的需求,使得电路的复杂度因而提高了十倍之多。

  2.5G与3G手机的设计复杂,容易成为电力消耗的负担,只能藉由电源管理从上至下的方式,以及先进的电源管理装置与技术获得解决。然而,电池技术的发展还落于电路技术之后,虽然数字电子技术仍符合莫尔定律,每隔18个月就倍增,但电池却是较为成熟的技术,成长幅度有限。镍氢(NiMH)、锂离子(Li-Ion)、以及镍镉(NiCd)电池的发展如同预期,几乎已无法在能源密度上有所提升,而一些如Fuel Cells的新技术则还要好几年才能商业化。如果因为不想加大手机体积而放弃较大的电池包的话,移动电话就只能依赖改良电路设计才能延长待机与使用时间了。

  电力消耗比较的分析

  分析移动电话的电力消耗,数字电子大约消耗电话总电力的35%。今天的2G移动电话主要仰赖低压降稳压器来供应手机中不同子系统所需要的电力。然而,经过证实,这个方法在2.5G与3G移动电话中并不可行,原因在于设计者以越来越低的次微米工艺设计数字电路。举例而言,以0.13微米工艺生产的基频处理器需要一般1.3V的电力供应。一颗锂离子电池包一般供应的电力为3.6V。但是真正供应的电压可能从完全供电的4.2V到低至2.7V;因此,不少的电压必须在LDO上丢弃,导致平均的转换效率只有36%。

  因此,2.5G与3G移动电话的设计者必须为数字供应电压采用更有效率的功率转换器。设计良好的功率转换器,例如美国国家半导体的LM2612,可以达到高达90%以上的转换效率。LM2612同步整流DC/DC转换器是针对超低电压电路,如手机的DSP,做单一锂离子电池包的最佳化供电设计。它提供高达400 mA电流,并且具有针脚可程序设定输出电压,可针对基频处理器电压选项作调整,而无须重新设计电路板或外加回授电阻。LM2612针对可携式装置设计,运用先进迷你芯片规模MicroSMD封装,而且设计成只需要两个外加陶瓷电容与一个小型电感器。由于可携式装置大多时间处于低耗电模式,因此LM2612整合了PFM(Pulse Frequency Modulation)模式,即使在负载非常轻的情形下,依然能持续高效率地进行转换。

  美国国家半导体刚推出一款LM2608功率转换器,以非常低的Iq(通常为19uA)线性模式取代PFM。此装置保留了与LM2612一样针对沉重与普通负载情况的高效率PWM模式,而以线性稳压器模式在轻载情况下运作。此装置提供高达3 mA供先进手机的睡眠操作使用。它还具有相同的可程序设定输出电压组。

  未来的强化

  我们可将移动电话的电力消耗比喻为汽车的燃料效率。我们目前所开的汽车在设计时并未考虑燃料效率,只要有先进的引擎设计或机械技术,效率就可获得些许提升。但是若要大幅提升燃料效率,汽车制造业者就必须重新设计整个系统。同样的道理,大部分移动电话的电路并非以达到最高电力效率作为设计上的考虑。虽然像LM2612这种高效率与最佳化的电源管理组件,可以延长3G手机的电池寿命,但是若要让电池寿命进一步最佳化,就必须以从上至下的方式检查整个系统,而调整式电压缩减AVS(Adaptive Voltage Scaling)即是一种可能的解决分案。

  调整式电压缩减可以链接基频处理器与切换调节器,如LM2612在完整的封闭回路系统中可针对适当的操作所需的最低电压,动态调整数字供应电压。缩减基频处理器的输入电压能大幅节省电力,因为任何数字VLSI电路所消耗的电力是正比于输入电压的平方。建置AVS的手机在通话模式时,将能比传统电路设计大幅减少基频电力浪费。

  在移动电话中还有许多功率转换器可以取代LDO的地方。举例而言,传输功率放大器是手机中十分耗电的组件。一般的传输器效率最高也只有介于30%至40%之间。通常PA会以最高效率传送最大功率。由于大部分的手机操作时都相当接近基地台,因此手机电波会降低传输功率到最低水准,以维持通话的品质。在低功率的情形下,PA的效率也会随之下降。藉由运用调整式电压缩减以及调整功率放大器的电压最佳化,传输效率将可提升10%至20%。

  美国国家半导体的LM2614是第一款针对这类应用设计的装置。它可以通过简单的使用者应用电路主动缩减PA的电压。这个电路可让使用者设定提供想要的控制与Vout的传输功能,以达成最佳的PA效率。它与LM2612类似,它的线性模式则与LM2608相同,它的切换动作能与外部时脉同步。此外,使用两个迷你体积SMT组件做外部补偿,因此此一电路可以针对特定的循环反应作调整,而不必在意使用者所选择的操作频率或输出过滤器组件。这款装置目前已推出样本,并且在2.5手机制造商中颇受好评。

  美国国家半导体今年底也有针对在WCDMA与其它先进应用中使用最佳化的产品,除与先前的设计具有相同的高效率、电流模式架构外,还整合了主动输出电压程序设定所必要的控制电路。此外,它们还提供了整合旁路FET,以供在电池寿命即将告终的情况下操作,并且包含有力于系统制造商的设计强化。其中一项强化是电流限制的精确度,它可让系统设计者将电感器限定在更精密的容忍范围内,这是以往所无法做到的。

  藉由应用系统层级的能源节省方式,手机设计者将能大幅提升电池的使用寿命。通过高效率电力转换、封闭回路电压最佳化的应用,以及系统能源漏失的仔细分析,电池寿命要提升达五倍以上也是有可能的。

2004-9-23  美国国家半导体 Jim Doyle

  
摘自《通信产业报》


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