3G手机系统设计的电源管理策略和发展趋势

3G手机的电源管理与二代手机完全不一样，它不仅支持语音功能，还有长时间用手机获得互联网服务的功能，以及如MP3播放或PDA这样的娱乐和商务功能，甚至视频功能，这些功能会消耗大量的电能。因此，必须在电源管理上采用全新的方法，否则这种功能密集的设备在电池寿命上可能还达不到用户期望值的三分之一，本文将介绍3G手机系统设计中电源管理的策略和发展趋势。

电源设计通常是在完全了解电压、电流和调整参数后才确定下来，电源开发一般在整个系统开发的后期进行，并且常常远离系统开发商，也可能由OEM或第三方厂商开发，这就会出现电源模块与系统模块要求之间的矛盾，这种情况有时难以协调。

随着系统性能的要求不断提高，上述传统方法已无法达到所要求的目标。取而代之的将是全新的系统设计方法，它在设计系统结构甚至各个电路模块的同时就要求考虑电源输送的方式，这样就可以兼顾以前无法顾及的两部分电路之间的协调。电源现在被看作是系统本身的一部分，需要分配到其它电路模块之中以获得最高的性能和经济效益。某些电源电路实际上可嵌入到电源芯片内部，并能够与其它大容量电源输送芯片进行通讯。这种新方法可取得更佳的性能，在设计过程中，电源设计工程师要获得有关整个系统的详细知识，并在设计早期就参与到OEM的开发当中。

本文将以3G手机的复杂系统为例，阐述如何以整体系统设计方法实现电源管理。

3G手机的电源要求

今天的数字手机已经成熟，随处可见的第二代手机在电源管理方面能够适应语音工作模式并具有较高的效率。待机时间长达一周、通话时间可持续数小时的手机并不少见，用户不需额外携带笨重的电池。这样长的电池使用时间来自于功能模块的智能开/关控制与分布式电源结构的结合。分布式电源结构是由若干的初级和次级调节器组成。调节器本身为高效的LDO、磁性开关及开关电容，并且都固定在预设的电压上，以适应特定电路模块的需要。

然而，对3G手机的电源管理则完全不一样。这种多模式设备不仅有语音功能，还有数据功能。人们长时间用手机获得互联网服务。

3G手机可能还会提供一些娱乐功能，如MP3播放机或PDA一类的商务功能，同时语音服务还会伴随现场的视频功能，这些都会消耗大量的电能。很多新增功能的电路都必须永久性开机，因此无法使用简单的开/关电源管理方式。总之，3G电话在平均功耗方面与2G相比有很大的增加，增加最多的是基带、照相机、内存及显示模块(见图1)。必须在电源管理上采用全新的方法，否则这种功能密集的设备在电池寿命上可能还达不到用户期望值的三分之一。

提高电池寿命

我们还是可以通过全局的系统方法来找到解决这个问题的方法。为更简明地说明这一概念，仅以功耗较大的数字基带部分作为分析对象。该数字电路是手机的核心部分，必须一直通电才能实现3G手机的很多功能。它需要有较高的处理能力，以应付压缩视频这样的应用，但这种计算负载在处理不同内容时会出现很大的变化，一般情况下其工作负载相对来说是较轻的。它需要根据任务来调整功耗，这种强大的电源管理机制在笔记本电脑中极为常见，如英特尔的SpeedStep技术就可根据处理器的几种模式调整电源电压。这是一种开环技术，处理器向VRM模块发出一个简单的命令来改变电压变化的幅度。它取决于该芯片在预定的速度工作时所需的功耗和最小电源电压。这样，在主电源调整器的容许范围内可以增加一个较大的电压幅度，以保证电路的正常工作。

自适应电压调整(AVS)

在电压调整上，一个更为先进的方法是让它具有完全的自适应性。自适应电压调整AVS(Adaptive Voltage Scaling)是通过反馈机制将电源电压调整到给定工作负载(处理量)所需的最小值。这种闭环方式可进一步减小功耗，但需要将部分电源管理电路置入主处理器。

在传统的手机电源管理系统中(图2)，来自PLL合成器的时钟在馈送到基带处理器之前要经过调整。该处理器由一高效电压调节器获得受控电源电压V_DD。在保证处理器可达到最大处理能力的条件下，V_DD被设在最小的水平上。在不同负载时，处理器所需的电压会有很大的差异。

累积电能消耗量是电池管理的主要指标。由于一块完全充电的电池所存储的能量是有限的，不论是开/关控制，还是通过可变时钟来管理基带处理器的处理量，所消耗的电能总量是相同的。除时钟调整外，采用AVS可减少大量功耗。

成功实现AVS的关键是在基带芯片中集成部分系统电源管理电路，即内置AVS控制器(图3)。这一关键模块包含专门的电路和算法，用来确定给定处理量下的最优电压。通过向电压调整器的参考端输入馈送误差信号，可以生成最优的V_DD，无需提供不必要的电压余量，从而减少了电能损耗。对任何闭环方法来说，环路带宽都是很重要的。环路快速跟踪并稳定的能力决定了基带电源动态调整以自适应工作负载突变的能力。

在典型的3G手机使用方式下，节省的电能很可观。待机状态节能最大，它仅受泄漏电流的限制；视频模式不节能，因为该模式需要较大的计算处理。这些节能方法仅适合于基带处理器功耗部分，对于其它大量消耗电能的电路模块(比如射频部分)并不适合。随着技术的进步，AVS在延长多功能3G手机的电池寿命、满足性能要求方面必将发挥重要作用。

电流控制

除了调整电压使电池更有效率之外，还可采用其它办法实现这一目标。以手机的显示为例。目前，很多电话都采用白色LED背光显示，以满足消费者对更好、更生动显示质量的要求。第一代白色LED驱动器采用固定电压的方法，然而，与红色和绿色LED不同的是，驱动这些新型LED的正向电压要高一些，通常在3V至4V之间。这在采用锂电池等普通电池的应用中就需要使用升压转换器。全LED电路带来另一个复杂性：即需要恒流源的驱动，而不是恒压源驱动。因为在恒压源方式，正向电压在制造上的差异性会产生更大的亮度差异。为最大限度减少各个白色LED在亮度及颜色飘移上的不均衡，采用恒流源比恒压源更好。在很多情况下，由于消除了限流电阻上的功耗，该方法还能提高电源效率。因此，目前的趋势是更多地采用恒流源驱动LED。

采用更多的集成

手机制造商一直面临将下一代电话的所有功能都集成到轻巧的外壳中的压力，因此，集成已成为达到这一目标的有效做法。尽管某些集成可能影响系统性能，但集成有助于实现更高可靠性、更轻和更小的手机。在这方面同样要提高电源效率。以白色LED驱动器为例，电源设计工程师已不再采用四个独立的LED驱动器，而将它们集成起来，在一只芯片中为四个LED分配电流(图4)。

由于手机的功能很多，系统性能是推动集成的另一个因素。电源管理的另一个很可能的集成发展趋势是将LDO集成到基带芯片中。对无绳电话来说，这有助于节省空间和成本。对于手机来说，这将提供自LDO输出到基带电路的最短路径。但是集成到基带芯片中之后将缺少灵活性，基带芯片的任何变化都会在其内部引起LDO的修改，这样就比LDO置于电源管理部分的情况花费更多的时间。所以，尽管LDO的集成已在无绳电话中采用，但手机制造商可能不会重走老路。