新一代手機電源管理的最佳化挑戰

2019-11-03 10:02:45

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供稿：網友

美國國家半導體 Jim Doyle

　　消費者總是期待先進的2.5G與3G手機能夠與現有2G手機擁有相同的外型大小以及電池壽命。2.5G與3G“智能”手機還要能提供語音、數據傳輸與多媒體功能，例如移動存取電子郵件與個人信息、強大網絡瀏覽功能、聲音與視頻播放與串流以及豐富的游戲功能等。

　　目前業界紛紛積極部署多種未來無線網絡技術，以滿足高速數據傳輸系統的需求，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）。舉個例子，EDGE的數據傳輸速率可達384kbps，是由未能取得UMTS頻譜的移動網絡廠商所開發，而被當成是現有GSM/GPRS基礎架構的墊腳石。EDGE讓現有GSM業者有機會提供傳輸速度與UMTS網絡相近的資料服務。新型“智能”手機就將使用這些服務，為消費者帶來全新通訊、資料存取、業務管理以及學習的方式。

　　3G服務最早是由日本開始提供。2.5G與3G服務未來五年將逐漸拓展到全球各地，而且會以高人口密度的區域作為初期推廣重點。先進的移動電話必須與現有網絡系統兼容，以滿足用戶在各地漫游的需求。2.5G GPRS和EDGE服務大致可與GSM的基礎架構兼容，3G手機則須具備雙模功能才能在3G服務區域外使用。3G手機本身的特性與新增功能，再加上回溯兼容的需求，使得電路的復雜度因而提高了十倍之多。

　　2.5G與3G手機的設計復雜，容易成為電力消耗的負擔，只能藉由電源管理從上至下的方式，以及先進的電源管理裝置與技術獲得解決。然而，電池技術的發展還落于電路技術之后，雖然數字電子技術仍符合莫爾定律，每隔18個月就倍增，但電池卻是較為成熟的技術，成長幅度有限。鎳氫（NiMH）、鋰離子（Li-Ion）、以及鎳鎘（NiCd）電池的發展如同預期，幾乎已無法在能源密度上有所提升，而一些如Fuel Cells的新技術則還要好幾年才能商業化。如果因為不想加大手機體積而放棄較大的電池包的話，移動電話就只能依賴改良電路設計才能延長待機與使用時間了。

　　電力消耗比較的分析

　　分析移動電話的電力消耗，數字電子大約消耗電話總電力的35%。今天的2G移動電話主要仰賴低壓降穩壓器來供應手機中不同子系統所需要的電力。然而，經過證實，這個方法在2.5G與3G移動電話中并不可行，原因在于設計者以越來越低的次微米工藝設計數字電路。舉例而言，以0.13微米工藝生產的基頻處理器需要一般1.3V的電力供應。一顆鋰離子電池包一般供應的電力為3.6V。但是真正供應的電壓可能從完全供電的4.2V到低至2.7V；因此，不少的電壓必須在LDO上丟棄，導致平均的轉換效率只有36%。

　　因此，2.5G與3G移動電話的設計者必須為數字供應電壓采用更有效率的功率轉換器。設計良好的功率轉換器，例如美國國家半導體的LM2612，可以達到高達90%以上的轉換效率。LM2612同步整流DC／DC轉換器是針對超低電壓電路，如手機的DSP，做單一鋰離子電池包的最佳化供電設計。它提供高達400 mA電流，并且具有針腳可程序設定輸出電壓，可針對基頻處理器電壓選項作調整，而無須重新設計電路板或外加回授電阻。LM2612針對可攜式裝置設計，運用先進迷你芯片規模MicroSMD封裝，而且設計成只需要兩個外加陶瓷電容與一個小型電感器。由于可攜式裝置大多時間處于低耗電模式，因此LM2612整合了PFM（Pulse Frequency Modulation）模式，即使在負載非常輕的情形下，依然能持續高效率地進行轉換。

　　美國國家半導體剛推出一款LM2608功率轉換器，以非常低的Iq（通常為19uA）線性模式取代PFM。此裝置保留了與LM2612一樣針對沉重與普通負載情況的高效率PWM模式，而以線性穩壓器模式在輕載情況下運作。此裝置提供高達3 mA供先進手機的睡眠操作使用。它還具有相同的可程序設定輸出電壓組。

　　未來的強化

　　我們可將移動電話的電力消耗比喻為汽車的燃料效率。我們目前所開的汽車在設計時并未考慮燃料效率，只要有先進的引擎設計或機械技術，效率就可獲得些許提升。但是若要大幅提升燃料效率，汽車制造業者就必須重新設計整個系統。同樣的道理，大部分移動電話的電路并非以達到最高電力效率作為設計上的考慮。雖然像LM2612這種高效率與最佳化的電源管理組件，可以延長3G手機的電池壽命，但是若要讓電池壽命進一步最佳化，就必須以從上至下的方式檢查整個系統，而調整式電壓縮減AVS（Adaptive Voltage Scaling）即是一種可能的解決分案。

　　調整式電壓縮減可以鏈接基頻處理器與切換調節器，如LM2612在完整的封閉回路系統中可針對適當的操作所需的最低電壓，動態調整數字供應電壓。縮減基頻處理器的輸入電壓能大幅節省電力，因為任何數字VLSI電路所消耗的電力是正比于輸入電壓的平方。建置AVS的手機在通話模式時，將能比傳統電路設計大幅減少基頻電力浪費。

　　在移動電話中還有許多功率轉換器可以取代LDO的地方。舉例而言，傳輸功率放大器是手機中十分耗電的組件。一般的傳輸器效率最高也只有介于30%至40%之間。通常PA會以最高效率傳送最大功率。由于大部分的手機操作時都相當接近基地臺，因此手機電波會降低傳輸功率到最低水準，以維持通話的品質。在低功率的情形下，PA的效率也會隨之下降。藉由運用調整式電壓縮減以及調整功率放大器的電壓最佳化，傳輸效率將可提升10%至20%。

　　美國國家半導體的LM2614是第一款針對這類應用設計的裝置。它可以通過簡單的使用者應用電路主動縮減PA的電壓。這個電路可讓使用者設定提供想要的控制與Vout的傳輸功能，以達成最佳的PA效率。它與LM2612類似，它的線性模式則與LM2608相同，它的切換動作能與外部時脈同步。此外，使用兩個迷你體積SMT組件做外部補償，因此此一電路可以針對特定的循環反應作調整，而不必在意使用者所選擇的操作頻率或輸出過濾器組件。這款裝置目前已推出樣本，并且在2.5手機制造商中頗受好評。

　　美國國家半導體今年底也有針對在WCDMA與其它先進應用中使用最佳化的產品，除與先前的設計具有相同的高效率、電流模式架構外，還整合了主動輸出電壓程序設定所必要的控制電路。此外，它們還提供了整合旁路FET，以供在電池壽命即將告終的情況下操作，并且包含有力于系統制造商的設計強化。其中一項強化是電流限制的精確度，它可讓系統設計者將電感器限定在更精密的容忍范圍內，這是以往所無法做到的。

　　藉由應用系統層級的能源節省方式，手機設計者將能大幅提升電池的使用壽命。通過高效率電力轉換、封閉回路電壓最佳化的應用，以及系統能源漏失的仔細分析，電池壽命要提升達五倍以上也是有可能的。

　　
----《通信產業報》