2006年是3G走上主要舞臺(tái)的最后機(jī)會(huì)。在用戶頭腦中,手機(jī)的概念已經(jīng)從語(yǔ)音設(shè)備發(fā)展到了以多媒體為中心的終端設(shè)備。手機(jī)作為一個(gè)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(lè)、數(shù)字電視、游戲等相關(guān)業(yè)務(wù)。從客戶那里得到的反饋消息給無(wú)線運(yùn)營(yíng)商們吃了一個(gè)“定心丸”,從而促使他們對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行大量投資來(lái)升級(jí)網(wǎng)絡(luò),以適應(yīng)從EDGE到W-CDMA的下一代無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)。運(yùn)營(yíng)商們也意識(shí)到以語(yǔ)音服務(wù)為基礎(chǔ)的無(wú)線市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈,語(yǔ)音電話業(yè)務(wù)的增長(zhǎng)量比較低,尤其是歐洲和北美這些成熟市場(chǎng),他們必須立即開(kāi)始提供以數(shù)據(jù)為中心的多媒體業(yè)務(wù),否則利潤(rùn)會(huì)變得更低。另一方面,大量的用戶需求以及運(yùn)營(yíng)商在3G基礎(chǔ)設(shè)施的重大投資也促使那些主要手機(jī)制造商向3G進(jìn)行重大的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)移,去爭(zhēng)取3G手機(jī)市場(chǎng)的領(lǐng)先地位。

手機(jī)的多媒體應(yīng)用需要高速數(shù)據(jù)傳送,這就凸顯了快速移動(dòng)與數(shù)據(jù)傳送速率之間的取舍問(wèn)題。雖然2G和標(biāo)準(zhǔn)(如GPRS、EVDO)提出了用手機(jī)實(shí)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(yīng)用受限。

近年來(lái)隨著W-CDMA、CDMA-EVDO Rev.A(不久將來(lái)的EVDV)的出現(xiàn),手機(jī)的下載速度與以前相比會(huì)有顯著的提高。W-CDMA的HSPA(高速鏈路分組接入)標(biāo)準(zhǔn)支持很好的移動(dòng)性和1Gb/s數(shù)據(jù)傳輸率。手機(jī)另一個(gè)共同的特性就是包含了Wi-Fi連接,支持無(wú)線局域網(wǎng),但是應(yīng)用卻限制在無(wú)線熱點(diǎn)范圍內(nèi)。還有一些像移動(dòng)WiMAX這樣的標(biāo)準(zhǔn)以及與之等效的韓國(guó)WiBro,將無(wú)線熱點(diǎn)范圍擴(kuò)大到主要都市的各個(gè)區(qū)域。所有這些技術(shù)都促進(jìn)了傳統(tǒng)的語(yǔ)音通信向基于IP的數(shù)據(jù)通信過(guò)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(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)使下一代手機(jī)迅速地發(fā)展起來(lái)。現(xiàn)在的趨勢(shì)是:在不增加結(jié)構(gòu)尺寸的情況下,手機(jī)要盡其可能具備更多的功能和應(yīng)用。

事實(shí)上,現(xiàn)在風(fēng)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(jī)支持更快的下載速度。具有MP3播放和視頻下載功能的手機(jī)日漸普及,手機(jī)需要具備大容量存儲(chǔ)功能,在手機(jī)中集成小于1英寸的硬盤驅(qū)動(dòng)器和大容量閃存,能夠使存儲(chǔ)容量提高到4G。不過(guò)最顯著的趨勢(shì)是將出現(xiàn)不久的mini SD卡和micro SD卡用作為可插拔的存儲(chǔ)器件。SD卡可以看成“新型軟盤”,用于在PC機(jī)和手機(jī)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(shuō)到照片,對(duì)大部分用戶而言,手機(jī)作為數(shù)碼相機(jī)已是最基本的配置了。在日本具有3百萬(wàn)像素相機(jī)功能的手機(jī)占據(jù)廣大的市場(chǎng),韓國(guó)已經(jīng)開(kāi)始嘗試7百萬(wàn)像素的手機(jī)相機(jī),這使得手機(jī)看起來(lái)更像一個(gè)相機(jī)而不是電話。除了逐步提高分辨率之外,還在手機(jī)中置入更高亮度的閃光燈,從而可以用手機(jī)相機(jī)拍下高質(zhì)量的相片。

實(shí)際上,下一代的手機(jī)里會(huì)設(shè)計(jì)兩個(gè)相機(jī)。高分辨率的相機(jī)用于靜止畫面拍攝,低分辨率的相機(jī)用于抓拍短的視頻畫面。2005年業(yè)界談?wù)撟疃嗟氖謾C(jī)應(yīng)用無(wú)疑是數(shù)字電視功能,韓國(guó)在引進(jìn)數(shù)字電視也務(wù)方面走在市場(chǎng)的前沿,2005年已經(jīng)支持DMB標(biāo)準(zhǔn)。幾乎所有的專業(yè)手機(jī)制造商都意識(shí)到了該功能的潛力,正在對(duì)此加大投資。今年夏天符合全球DVB-H標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)已出現(xiàn)在歐洲手機(jī)市場(chǎng),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(duì)市場(chǎng)形成了沖擊,而一些新的應(yīng)用比如電子支付也處于成長(zhǎng)期。不過(guò)要滿足以上提及的3G手機(jī)的各種應(yīng)用,必須使用專用處理器。

如何延長(zhǎng)工作時(shí)間

手機(jī)用戶希望能增加所有新的功能而又不犧牲工作時(shí)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(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足3G手機(jī)額外的電源需求。因此重?fù)?dān)落在了電源管理的肩上,即在無(wú)法依賴電池本身來(lái)延長(zhǎng)電源工作時(shí)間的情況下,需要一種新的解決方案以維持更長(zhǎng)的工作時(shí)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(shì)。

3G手機(jī)中大多數(shù)數(shù)字處理器,照相機(jī)和主要的存儲(chǔ)設(shè)備都由開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器來(lái)控制供電,以便能獲得最長(zhǎng)的工作時(shí)間。當(dāng)然,諸如Wi-Fi和數(shù)字電視處理器這樣的新應(yīng)用同樣也需要高效的電源管理。開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器還會(huì)用來(lái)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(lái)說(shuō)也可以節(jié)省50%的電量。但是在手機(jī)中采用太多的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器也存在問(wèn)題,由于每路電源需要一個(gè)電感器和輸出電容器,開(kāi)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(kāi)銷也相應(yīng)增加。這些都是下一代手機(jī)必須克服的挑戰(zhàn)。

圖1顯示出2007年初3G手機(jī)電源管理解決方案的框圖。

圖1:一種3G手機(jī)電源解決方案

為了解決上述所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),應(yīng)該從下面四個(gè)方面入手:

選用良好的封裝

研發(fā)出盡可能小的開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器是實(shí)現(xiàn)最佳開(kāi)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(jìng)爭(zhēng)力。但是現(xiàn)在設(shè)計(jì)師必須優(yōu)先考慮芯片級(jí)封裝技術(shù)(例如,國(guó)家半導(dǎo)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(jí)封裝的比較,區(qū)別是顯而易見(jiàn)的。

優(yōu)化外圍器件

下一步由電感器入手來(lái)優(yōu)化外圍元件,電感體積最大同時(shí)也增加開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)器的成本。手機(jī)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(jià)格上有望比線繞電感便宜30%,這是手機(jī)制造商降低材料成本的關(guān)鍵地方。不過(guò)多層片式電感器的缺點(diǎn)之一是隨著直流電流的增加,其電感值會(huì)降到很低；而線繞電感器則不然,在達(dá)到飽和電流之前,其電感值都是恒定不變的。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師在選擇片式電感器時(shí)必須要考慮到這點(diǎn)。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(kāi)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(jìn)電荷泵技術(shù)來(lái)完成DC-DC的降壓轉(zhuǎn)換是達(dá)到尺寸和效率最優(yōu)組合的另一個(gè)有效手段,使用開(kāi)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(gè)優(yōu)點(diǎn)引人注目,因?yàn)檎w尺寸會(huì)比采用磁性電感開(kāi)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(gè)高質(zhì)量的開(kāi)關(guān)電容器后效率可以達(dá)到75%以上,而外形尺寸只是磁性調(diào)節(jié)器的一半,同時(shí)還具有可比的靜態(tài)電流和精度。對(duì)于供電電壓低于2V、低電流(小于250mA)的數(shù)字負(fù)載,考慮的主要因素是效率,因?yàn)殚_(kāi)關(guān)電容和電荷泵的工作時(shí)間幾乎相同。將磁性的DC-DC變換器與開(kāi)關(guān)電容降壓調(diào)節(jié)器作了一個(gè)比較,使用一個(gè)550mAh的鋰離子電池來(lái)測(cè)試工作時(shí)間,利用電磁降壓的工作時(shí)間是330分鐘,而利用開(kāi)關(guān)電容降壓的則是309分鐘,這個(gè)差別對(duì)電池的使用壽命來(lái)說(shuō)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(jìn),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(gè)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(guò)60mV。電源設(shè)計(jì)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(yīng)該具有極好的瞬態(tài)響應(yīng)能力,使得輸出電壓的上下過(guò)沖很小,特別是在輸出電流或者輸入電壓產(chǎn)生突變的場(chǎng)合下。這些性能可通過(guò)昂貴的集成電路實(shí)現(xiàn),但由于尺寸的限制,故也不是一個(gè)可行的選擇。

電源調(diào)節(jié)器的另一個(gè)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(jī)的待機(jī)時(shí)間達(dá)到最長(zhǎng),該電流必須非常小,因?yàn)樵O(shè)備在絕大多數(shù)時(shí)間上消耗的就是這個(gè)電流。為了實(shí)現(xiàn)這么低的靜態(tài)電流,必須采用新的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。不過(guò),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(duì)于下一代的處理器來(lái)說(shuō)也是不能接受的。

作者:Vik Sangha

便攜式電源產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理

國(guó)家半導(dǎo)體公司