引言
虽然现在一般的手机仍然都是GSM/GPRS黑白屏幕或同类型的，但，手机市场正迅速朝着集成彩屏、相机和个人信息管理 (PIM) 的方向发展。预计2006年结合丰富语音和数据功能的智能电话的出货量将大于同年的笔记本电脑，并且远远超越单一功能产品的出货量，如数字相机和PDA。 了解这个发展趋势后，几乎可以肯定，今天看来很创新的新兴手机和手持式产品应用，如视频流和高质量数字媒体回放等，将很快成为高端手机的基本功能，甚至市场主流。 本文将讨论此类复杂设备所带来的挑战，尤其是对于功率管理的挑战，还会探讨新的解决方案和未来发展趋势。
复杂性增加而开发周期缩短
今天OEM厂商于复杂的市场之中运作，涉及不同的通信平台 (第二代或2G平台如GSM、TDMA和CDMA，以及3G平台如W-CDMA和CDMA2000)，而且模式各不相同。 为了使这些应用取得最佳的上市时间，单一平台的参考设计通常依赖于相对刚性的"核心"芯片组，而更灵活的外围器件则在给定的平台中体现各个模式的差异性。 图1所示为带有基带部分的核心芯片组，包括处理数据的应用MCU、用于语音的DSP、闪存、RF部分 (带有接收RX和传送TX区块)，以及功率管理单元 (PMU)部分。 围绕这个核心芯片组是一系列附加模组，如应用于无线耳机的短距离无线数据传输蓝牙装置、相机、LCD模组及其它。这些区块需要辅助PMU提供额外的功率。
功率管理单元 (PMU)
由于PMU支持智能负载的数量和性能不断提升，所需的功率管理单元日益精密，能够提供远远超出稳压、充电和电量计量等基本的功能。 在精密的手机系统中，PMU可能需要编程，以便通过协议的软件实施而成为特定的平台，并能够通过串口 (I2C总线或类似总线) 与主CPU通信。这便是根据负载需求调整功率供给模式，并且承担许多关键功能，例如在通信总线失效时设定加电顺序 (包括启动顺序)。 这种PMU可通过不同程度的集成来实现，或许在开始时可采用多芯片解决方案，以缩短上市时间，然后根据批量和其它考虑进行向上集成，纳入单一封装中 (多芯片封装或MCP)，甚至集成为单片IC。 图2所示为基于微控制器的功率管理架构，提供所有的硬件和软件功能，如上所述，采用多芯片方式来实现。设定这个单元需要权衡许多因素。锂离子低压 (典型值3V)电源有助于提高标准CMOS器件的集成度，但如与外部AC适配器接口的充电器需要集成，这个选择就会遇到麻烦，在这种情况下，工艺技术所需耐受的电压便远高于CMOS的标准5V电压。 某些稳压器 (如为CPU供电的降压转换器) 需要提供持续升高的功率水平，这在单一CMOS架构的电路板上难以实现。在这种情况下，使用超小型BGA封装的P沟道DMOS分立晶体管，如FDZ299P，将有助于解决问题。最终，如果成本允许使用高掩膜数，功能强大的混合信号双极CMOS-DMOS (BCD) 工艺可实现真正的单片解决方案，以处理电压电流和栅极数量的复杂性。如图2所示，手机中每个子系统均需本身特定的供电方式；RF部分的低噪声LDO；以及其它部分的低功耗LDO。还需要使用高效的降压转换器，用于高耗能处理器；与LED驱动器相结合的升压转换器，用于LED阵列；以及充电时将锂离子电池与外部交流适配器相连的线性充电器。
微控制器
如PMU部分所述，微控制器 (其方框图见图3) 是功能丰富的手机或智能电话功率管理单元的基础。例如，飞兆半导体的ACE1502 (算术控制器单元) 系列微控制器具有全静态CMOS结构。这种低功耗的小型器件是专用可编程单片IC，适用于需要高性能的超便携设备。其核心为8位微控制器、64字节RAM、64字节EEPROM和2k字节编码EEPROM，而片上外设还包括多功能16位定时器、监察器和可编程欠压检测及复位装置和时钟。这种器件具有高集成度，可采用小型SO8封装，这个区块并可通过单裸片或共封装形式，进一步向上集成为更复杂的系统。 使用微控制器为PMU添加智能时需要考虑的另一个重要因素，是电池在工作和待机模式下的损耗。理想的设计可实现极低的待机电流。事实上，ACE1502非常适合这类应用。在待机模式下，ACE1502仅消耗100nA电流，对于电池寿命的影响可谓微不足道。
处理要求
随着功能聚合趋势的持续发展，软件和固件的开发成为一项越来越复杂的任务。事实上，由于系统趋向于使用更大的显示器并包含更多功能，如三维游戏等，手机的处理能力和软件复杂性促使其架构倾向分布式处理。微处理器可提供更多的价值，从主CPU卸载功率管理任务，让主CPU能进行更多计算密集的任务。 通过微控制器应用“局部智能”，可以设定不同的复杂性水平，例如最近的"个性手机"趋势。举例说，带有数字相机的手机在今天十分普遍。但由于缺乏闪光装置，使得手机相机的使用局限于光线明亮的场合。为了解决这个问题，可以加入由LED (发光二极管) 构成的闪光单元。闪光的添加需要包括多项功能，如防红眼和亮度调节，这取决于周围的亮度和影象目标的距离，以及影像捕捉时与CCD模组的同步。而这些附加功能可轻便地卸载到外围微处理器。这样的架构除了可简化主CPU的计算负载外，还能优化功率管理。
微控制器驱动照明系统
图4所示为基于LED的照明系统。一般来说，需要使用4个白光LED组成的阵列实现彩色显示背光照明，而另一个由4个白光或蓝光LED组成的阵列则用于执行键盘背光照明。相机闪光所需的白光LED一般为四合一封装。最后，RGB显示模块可提供不同组合的红、绿和蓝闪光，从而产生有趣的的闪光效果。如前所述，所有照明条件的序列和延续时间均在微处理器控制之中。
图5所示为前面描述的照明系统，系统的所有单元均可立刻启动。(背光和显示照明的位置很明显。闪光装置是顶部的白光部分，而RGB照明位于中间，为微红色闪光。)
功耗最小化
功耗最小化的战争也漫延到信号通道。超便携设备广泛应用的逻辑门、运算放大器和数据转换器件等都经过特别设计，以实现超低功耗并采用节省空间的封装。 例如，飞兆半导体的NC7SP74 D触发器和NC7SP00双NAND等超低功耗 (ULP 和ULP-A) TinyLogic器件的工作电压为0.9V至3.3V，传播延迟短至2.0 ns。与时下的高性能逻辑器件相比，仅消耗30-50%的功率。
无限制的操作
最新的高端手机拥有非常优异的功能，如双色LCD显示、相机、视频和音频点播。一个800mAh 锂离子电池 (相当于3V平均输出下2.4Wh) 可以维持高功率的操作，如游戏、拍照、录像和播放等--假设每种操作消耗功率的速度为少于两小时内1.4W。这种性能因数 (FOM) 变得越来越好，要归功于先前所述的功率管理方法，但这距离更基本型手机所需的6-8小时无限制工作要求还差很远。 目前有望改善这种状况的技术有两种，一种是有机LED显示器 (OLED)，能省去耗能的背光照明。另一种技术是燃料电池，这是能直接从燃料 (如甲醇) 提取电能的电化学器件。燃料电池已可与锂离子电池连接，如作为无限制充电器，并会逐步取代锂离子技术。 另外的替代电源如燃料电池等，将需要更加复杂的功率管理，这会进一步加促局部智能任务管理的发展，如附加微控制器，其中包括精密的混合信号功能，以实现卓越的监测能力。 带OLED显示器的数码相机已经上市，预计这项技术将在今后3至5年内获得更广泛的应用。燃料电池是经验证的技术，但难以实现小型化，因此在体积能缩小到于手机应用之前，先用于笔记本电脑等较大型设备。使用燃料电池供电或充电的手机原型已有展示，预计将根据与OLED相同的时间表推出市场。
总结
功率管理技术正不断改变和发展，以满足今日日益复杂的系统需求。这些技术包含传统的稳压组件和非传统的数字功能，如总线接口、数据转换器以及微控制器。 功能丰富的手机或智能电话明显地正在推动各项技术的发展，包括功率，并在未来增添更多的功能。举例说，可以想象未来将出现一系列"即插即用"标准的争论，并可从不同来源混合应用各式附加的外设设备 (相机、GPS模块等)，同时讲求已有外设的再用。在功率管理应用中添加微控制器将成为非常重要的IC方案，为这些平台提供系统功率。 功率管理电子的智能化趋势，加上能量存储和显示新技术的日渐成熟，定会在可见的未来令功能丰富的手机继续保持高速发展。
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