手机用电源技术加快上市时间并符合高效成本与尺寸要求

目前便携式应用集成了越来越多的功能，普遍的趋势是手机已经逐渐从单纯的电话功能转化成为数码相机、移动电视、游戏设备以及多媒体终端等多重角色。现时数字科技，容许负责应用程序的处理器也足以为终端用户提供这些功能，不过却也必须付出更高功耗的代价。 因此工程师就面临了两项主要的挑战，首先必须要能满足许多功能的高度集成，其次则是提供足够的电池使用时间，而在逐渐增加的功能外，用户的另一个强烈需求则是手机的外型与尺寸。 用户通常并不愿意牺牲电池的使用时间，也不想因为集成了其他功能而改变手机的尺寸与外型。谁会愿意购买一部集成了电视、MP3、MPEG4与PDA功能，但电池的运作时间却只有两个小时的手机？

图1MPEG4系统方块图要克服这些挑战，最好的策略是将更多的功能集成到芯片组中，带有电源管理单元(PMU,PowerManagementUnit)，由两或三片芯片集成的解决方案。除了提供手机电源外，电源管理单元基本上应该集成所有必备的模拟功能，例如USBOTG收发器、音频放大器、白光LED驱动器以及部分比较器和部分按键照明用功率驱动电路，这样的做法既简化设计，又将控制电源所需资源降到最低，例如只需使用一个两线式I2C总线就能够控制整个PMU，且享有掌控外型尺寸与成本限制等主要优势。相当明显地，这样做拥有许多的好处，预计能协助设计工程师克服这些挑战。 不过虽然在PMU中集成了越来越多的电源相关功能，但随着新一代手机的推出，对独立型电源转换集成电路(IC)产品的需求却日益增加，其中一个理由相当简单，那就是采用标准的解决方案而不与其他手机制造商进行差异化将有助于推动手机成为配备标准功能的标准化手机。不过这并不能满足那些对科技敏感度较高以及要求更多新功能的消费者，这也就是为什么手机制造商必须与众不同并加入新功能来取得差异的主要原因。新功能可以让产品对消费者更具吸引力，也就是我们所谓的“差异化”，差异化促使设计工程师在设计中加入标准芯片组中没有的部分功能，而这就可能需要另一个应用程序处理器，或者是额外的电源。 另一个可以解释需求逐渐升高的因素是更短的产品开发时间，一方面市场上对新功能的要求让设计时间必须越来越快。另一方面，要开发集成这些新功能的芯片组可能需要许多年的时间，而面向如此高度竞争的市场，设计工程师一定不会愿意等到新芯片组的推出，而会选择独立型芯片与应用程序处理器。 而设计工程师能够考虑的最简单解决方案则是采用独立型低压降稳压器(LDO,LowDropOutRegulator)，这类器件拥有使用简单且高性价比的优势，同时也具备相当高的PSRR与超低噪声等特性，使得它相当适合用来做为非常敏感的模拟与射频功能电源，同时符合成本与外型尺寸的限制。除此之外，考虑到锂离子电池的输入电压范围，例如3.0V到4.2V以及LDO解决方案本身的低转换效率，设计工程师只有在低输出压差或者是低耗电流的电源上才会考虑使用这些器件。 数字式应用处理器内核的电源电压由于工艺技术的进步而逐年下降，目前1.8V、1.5V与1.2V是相当常见的电压，未来的趋势更将进入1V以下。在此同时，数字化处理能力和时钟速度也随着在固定空间内加入更多功能的趋势提升，这使得LDO再也不适合做为提供应用处理器数字内核电源的解决方案，举例来说，考虑一个可能需要由锂离子电池提供1.2V电压600mA电流电源的内核，其中最大压差为4.2-1.2=3V，因此我们可以假设会有3x0.6=1.8W的功耗在LDO上，考虑到手机中必须使用的高密度印刷电路板上不良的散热能力，普遍小型封装器件的接面到大气温度系数平均高于100℃/W，因此我们可以预估，在25℃普通环境下，硅芯片的温度会高达(100x1.8)+25=205℃！这个温度对硅芯片来说无法接受，同时也相当确定地会影响到手机的可靠度，更不用说这个解决方案可能低达30%的超低转换效率。 要提供这些亚微米应用处理器内核的电源，设计工程师无可避免地必须采用电感式直流─直流转换器，这些器件结合了超过90%的高效率优势以及低热消耗，适当的同步直流─直流降压式转换器能够提供应用程序处理器内核与输出/入电压的电源，选择具备内部同步整流功能的脉宽调制(PWM)转换器将无需外加肖特基二极管，并在0.9V到3.3V的整个运作范围达到90%到96%的高效率，输出电流更可高达600mA。 在便携式应用中，一个节省电源的方法是让处理器进入低功耗模式，当系统运作不需处理器的所有处理效能时，内核处于低功耗的待机模式，或者是采用静态式内核设计时拥有最低功耗的睡眠模式，在这些模式中功耗需求相当低。PWM直流─直流转换器的一个缺点是当输出电流较低时，转换器的效率也随着降低，一个解决这个问题的方案是采用能够自动在输出电流需求较低时转换到脉冲频率调制(PFM)方式的同步PWM降压式转换器，这类器件结合了两种控制模式的优点，因此不管输出电流需求的高低都能维持高效率。 但是当内核必须回复运作时，电流需求会快速提升，可能会在几个ms内由数mA大幅提高到600mA的大小，因此直流─直流转换器也必须要能够快速做出反应，否则输出电压将会下滑。同时电源监测IC也可能检测到这个下滑动作而对处理器产生不必要的重置动作，要克服这个潜在的问题需要一个具备快速负载瞬态响应的直流─直流转换器，例如NCP1522就可以对300mA的电流需求步阶变化提供40mV的负载瞬态响应，而在瞬变期间，这个变化可以由去耦合电容吸收，因此监测重置IC不会检测到这个变化，或者在最糟情况下，会将它视为寄生瞬态。

图2NCP1522的典型转换效率曲线(Vin=4.2V-Vout=3.3V)采用降压型直流─直流转换器时的一个主要考量是输出滤波器的尺寸大小，为了能够控制电源的尺寸，供应商已经改用更高的转换频率以便缩减输出滤波器的尺寸，例如采用1MHz转换的同步直流─直流转换器NCP1512需要的是优化的10mH/10mF电感电容输出滤波器。而新一代的2MHz同步直流─直流转换器NCP1522则搭配使用2.2mH/4.7mF，让电容尺寸可以由C805缩小到C603，这个比较显示出转换频率越高，输出滤波器的尺寸就越小。 提供应用程序处理器电源不只需要一个电压，通常还需要加入如Vcc输出/入电压与Vcc模拟电压等其他电源，Vcc输出/入电压在主处理器中越来越常见，而通常这也是事实，这个电源就可以共用并由主PMU提供。由于附属应用处理器可能不需要外部RAM存储器或闪存，同时可能与主处理器共用部分存储器空间或串行通信连线，因此这样做相当合理。另外考虑到模拟电源Vcc，虽然可以和主处理器共用，但如果附属应用程序处理器在电路板上的位置距离主PMU较远，甚至是安排在不同的电路板上时，那么这就不是一个明智的选择。设计工程师在提供处理器电压时必须尽可能地接近目标。如前面所提，模拟电源通常需要一个低噪声LDO，目前厂商较常采用的选择之一是提供集成一个面向内核电源的PWM/PFM同步直流─直流转换器以及可以应用在应用程序处理器输出/入或模拟部分LDO电源的小型化电源IC产品，NCP1526就是一个例子。

图3NCP1522负载瞬态响应要集成高噪声转换式直流─直流转换器与提供较敏感射频或模拟功能电源的超低噪声LDO是一个相当大的挑战，同时在效率、PSRR、噪声等标准筛选条件外，设计工程师还必须额外注意LDO与直流─直流转换器间的串扰(crosstalk)，这个参数区分了LDO能够拒绝由直流─直流转换器所传送过来噪声的能力，通常主要发生在面临大幅度电流瞬变时。

图4NCP1526的典型应用如图5中所显示，NCP1526拥有相当好的串扰特性，使得它非常适合应用在提供较敏感的模拟与射频模块电源，同时还具备满足高速内核处理器所需要的绝佳瞬态响应。

图5NCP1526串扰与负载瞬态响应在手机的开发上，我们无可避免地采用一个集成型电源管理IC做为内核电源，这个IC结合了设计简单的高度集成且高效率解决方案，同时具备高性价比。不过由于在手机需求变化或各家制造商加入差异化功能时较无弹性且芯片与芯片组开发时间过长，小型化直流─直流转换器与小型电源IC预计将在手机开发的应用上拥有光明的未来。假如供应商能够提供兼具高性价比、高效益空间使用与高转换效率的解决方案，手机设计工程师就可以拥有许多选择，其中直流─直流降压式转换器还是应用程序处理器内核电源的最佳解决方案，而LDO则依旧是射频与对噪声较为敏感功能的最佳选择。

器件封装的发展挑战 手机的轻巧外型同时也引领了这些IC产品的新封装技术发展，制造商的趋势是开发出超薄手机，其中一个可以解释Motorola公司RAZR产品能够在全球获致相当成功的因素是它的创新设计与超薄外型。 目前手机中最常使用的封装方式为TSOP与DFN或QFN，虽然它们拥有相当良好的温度特性，让这些封装成为功率IC的最佳选择，但厚度却无法突破0.9mm，而这正是超薄手机发展的一个限制。直到目前为止，供应商能够提供给设计工程师的唯一更薄解决方案为μBump，虽然它的0.55mm厚度可以实现超薄设计，但是这个封装的主要缺点是总体解决方案的成本，同时不仅考虑到封装的本身，印刷电路板设计上的要求，例如微型穿透激光也会增加复杂度与生产成本，同时散热效率也不高，使得这个封装无法应用在如高功率直流─直流转换器等功率器件上。最后，采用这个封装还需要生产线上较高的技术能力，同时也会因为焊接不良IC数目的增加以及生产线后段测试的高淘汰率压低了整个生产的效率。 安森美半导体推出了新的功率器件，例如直流─直流转换器NCP1521、集成型电源芯片NCP1526，同时还有LLGA封装或称为mDFN封装的音频放大器NCP2820，厚度仅0.55mm，克服了mBump封装的限制，同时提供相当良好的散热特性。 mDFN可以允许设计工程师在0.5mm间距内加入10根引脚，集成了降低总体解决方案尺寸却不增加印刷电路板设计限制的优势，并且允许生产线采用标准的生产流程。

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