智能手机电源管理趋势

目前，智能手机的功能越来越多了，不仅允许浏览网页、发送电子邮件、拍照片、播放视频流、玩游戏，甚至还集成了具有高容量存储能力的微型硬盘驱动器作为MP3播放器使用。不过，将这些功能塞进一个外形尺寸受限的产品中，同时还需要获得更长的工作时间，智能手机制造商无疑面临越来越大的压力。

从图1可以看出，功能越多，在不同功率级上就需要越多的低压输出轨。手机中的主电源轨过去通常是3.3V，而较新的手机设计则越来越常采用1.5V的主电源轨，原因是大多数数字大规模集成的IC工作在1.5V或更低的电压上。以下两个例子可以说明这一点，它们都需要1.375V电压的基带芯片组和1.2V电压的应用DSP用于视频处理。

图1: 智能手机方框图

由于受到空间、效率和成本的制约，用负载点(POL)DC/DC转换直接把3.6V的锂电池标称输出电压降至上述较低的电压是不现实的。因此，设计师们采用两步转换的方法。他们先用高效率降压型转换器将锂电池电压降至1.5V，然后从这个1.5V主电源轨，他们可以简单地用非常低压差(VLDO)稳压器为低压数字LSI集成电路供电。由于标称工作电流较低且低压轨之间的转换效率可达80%至90%，因此两步转换方法在很大程度上可能实现，例如从1.5V 降至1.375V以便为基带芯片组内核供电时，效率为91.7%。另一个采用VLDO的理由是，很多需要供电的低压集成电路都是噪声敏感的，因此这些稳压器的输出纹波可能需要低于

1mVP-P。你可以将VLDO作为一个降压型开关稳压器的后稳压器，这样就容易地确保低纹波。

有人可能会说，上述做法没有必要，因为一个毫安小时容量较高的电池就可以解决问题。但消费者喜欢电池又小又轻的手机，这就是大多数手机制造商提供电池标称容量为600mAH 的产品，然后再提供一个较大容量的电池作为附件的原因。同时，外形尺寸受限的手机没有任何散热途径，而且其高功能含量也导致功率预算紧缺，因此高效率DC/DC转换成为优先

保留的重点。不过，作为附件的电池更贵、更大也更重。当然，手机的外形尺寸也可以做得更大，以适合采用更高容量的电池。但是消费者并不喜欢大尺寸的产品，因此这种做法通常只适用于企业用户。

问题与需要考虑的因素

较低的电源转换效率产生热量，这种热量来自能量传递过程中稳压器的功率损失。在智能手机内部，没有风扇或散热器，只有一块密集排列着元器件的印刷电路板和一块电池，没有散热途径。这种热量缩短电池寿命并可能对产品的可靠性造成有害影响。

效率是用输出功率除以输入功率得出的，或者用负载功率除以输入功率。应该特别提到的是，输入电压和电流必须在DC至DC转换器的任何外部组件之前的节点处测量。同样地，输出电压和电流也必须在DC至DC转换器的任何外部组件之后测量。

由于电源转换过程中产生了热量，所以业界必须重新考虑应该采用什么类型的稳压器。制造商们已经采用了开关稳压器而不是较简单的线性低压差稳压器，因为开关稳压器具有较高的工作效率。当主电源轨是3.3V时，这么做是有意义的。但是，随着较新的设计采用了1.5V 电源轨，继续采用开关稳压器就未必合适了。

表1列出了不同类型电压稳压器的优缺点，这些稳压器可用来满足智能手机的电源转换需求。这里有三种选择：线性低压差稳压器、无电感器型开关稳压器(也称为充电泵)和普通开关稳压器(带有电感器)。

表1: 线性稳压器与开关稳压器的比较

线性低压差稳压器被认为是最简单的稳压器，由于其本身存在DC电压转换(也就是无开关)，所以它只能把输入电压降为更低的电压。它最大的缺点是在热量管理方面，因为其转换效率近似等于输出电压除以输入电压的值。例如，如果一个驱动图像处理器的LDO输入电源是从单节锂电池标称的3.6V，在电流为200mA时输出1.8V电压，参见图1，那么转换效率仅为50%，因此在手机中产生了一些发热点，并缩短了电池工作时间。不过，虽然就较大的输入与输出电压差而言，确实存在这些缺点，但是当电压差较小时，情况就不同了。例如，如果电压从1.5V降至1.2V，效率就变成了80%。

当输入与输出的电压差较高时，开关稳压器避开了所有线性稳压器的效率问题。它通过使用低电阻开关和磁存储单元实现了高达96%的效率，因此极大地降低了转换过程中的功率损失。由于工作在超过2MHz的高开关频率上，所以外部电感器和电容器的尺寸可以极大缩小。开关稳压器的缺点较小，通常可以用好的设计技术来克服。

但是，当采用1.5V主电源轨并需要降压至1.2V为DSP内核供电时，开关稳压器就没有明显的优势了。实际上，开关稳压器不能用来将1.5V电压降至1.2V，因为无法完全提升MOSFET(无论是在片内还是在片外)。标准低压差(LDO)稳压器也无法完成这个任务，因为其压差通常高于700mV。理想的解决方案是采用一个非常低压差(VLDOTM)稳压器，输入电压范围接近1V，其压差低于300mV，内部基准接近0.5V。这样的VLDO稳压器可以很容易地将电压从1.5V降至1.2V，转换效率为80%。因为在这一电压上的功率级通常为100mA左右，那么30mW的功率损耗是可以接受的。

智能手机中微型HDD的使用

苹果公司的iPod和迷你型iPod的成功是智能手机采用微型HDD的关键驱动因素。iPod和迷你型iPod可选用存储容量从4GB至40GB的多种HDD。与大多数MP3播放器一样，智能手机可以由AC适配器、通用串行总线(USB)电缆或锂离子电池供电。但是，对这些电源之间的电源通路控制进行管理却是极大挑战。直到最近，设计师们一直设法用大量MOSFET、运算放大器和其他类似组件来实现这一功能，但是他们仍然面临着热插拔、大浪涌电流等问题。

大多数应用在智能手机中的微型HDD都使用直径小于2英寸的盘片。东芝30GB容量的驱动器使用直径仅为1.8英寸的单个盘片，而日立的4GB微型驱动器使用直径仅为1英寸的单个盘片，日立直径为0.85英寸的盘片也即将问世。东芝和日立的微型驱动器在一般工作情况下都只需要大约300mA电流和3.3V电压，但在旋转期间峰值电流可能高达1.2A。设计满足这么宽工作电流范围要求的DC/DC转换器可能非常棘手。

大多数智能手机采用专用集成电路来满足电池充电、电源路径控制、提供多种电源电压以及提供真正输出断接、准确USB限流等保护功能的需求。采用这种方法的理由很明显，可以用单个器件满足所有电源管理需求。但是这种方法也有缺点。首

先，ASIC采用特殊芯片制造工艺制造，很难就上述所有功能最大限度地提高性能。其次芯片从订货到交货的时间较长，这个时间与ASIC的定义和开发有关。通常，电源管理专用芯片从概念到交货需要超过一年半的时间，而在这么长的时间里特定产品的设计需求可能变化三次甚至更多。

一种新的方法