知名廠商詳解如何實現智能手機的電源設計
LDO是電路板設計上常見的直流轉換組件,LDO都是高電壓轉低電壓工,作原理是類似像分壓原理,其腳位少、可以過濾電源噪聲。但LDO雖然是低轉換電壓,功耗相當低,但仍有部分電力耗損,如果音頻放大器能夠提高到超過60dB,就不需要應用上LDO,可以降低音頻電路功耗。
圖 奧地利微電子推出200mA微型超低壓降穩壓器AS1369,僅占1mm2 PCB空間,適合移動電話與PDA…等空間有限裝置。AS1369 LDO可實現性能提升,延長電池壽命。
DC/DC電源轉換器產品 可減少LDO需求
在電源管理IC選擇中,終端市場對產品尺寸及電源轉換效率要求日益嚴苛,因此屬于低成本但效率較差的LDO線性穩壓器,漸受到電源轉換效率較好,但設計和成本門坎較高的交換式穩壓器(Switching Regulator)威脅,例如直流轉直流轉換器(DC/DC Converter)市場的沖擊與威脅,造成LDO量縮,甚至因此導致價格下跌,價格競爭壓力,讓不少電源IC業者轉投入DC/DC電源產品研發。
高頻率的DC/DC轉換器,可讓系統周邊僅須搭配很小的電感或電容即可,進而縮減電路板面積,當手機與數字相機(DSC)朝輕薄設計發展,勢必要減少系統對于單顆LDO需求。因此,使用單組LDO的機率就愈低,不少廠商都轉向投入DC/DC轉換器研發,包括以經營LDO為主的安茂微電子,也正全力投入DC /DC轉換器開發。
整合電源管理芯片趨勢
1.低階手機基頻芯片整合PMU
PMU 主要是用于解決手機內部電源管理問題,發展PMU的主要目標,即是為手機做有效節電,以避免效率轉換損失。目前低階手機芯片的核心主軸基頻芯片,已朝整合 PMU電源管理模式發展,由于基頻芯片整合PMU可節省手機空間,PMU可具不占空間以及高整合性優勢,讓廠商致力于發展基頻芯片整合PMU方案。
2.高階手機應用處理器整合PMU
而高階手機部分,如3G智能型手機配備多媒體影像、無線傳輸功能設計,其應用處理器耗電量更大,因此就必須發展專用、整合型PMU,以降低應用處理器耗電量。例如,意法半導體就整合了USB OTG高速(High Speed)與音訊編/譯碼(Audio Codec),因應智能型手機對音訊的精致度要求,讓手機具快速數據傳輸功能。而美國國家半導體,也針對LED發展出高整合度照明管理單元 (Lighting Management Unit;LMU)可解決LED耗電速度快的問題。
另外,電源管理芯片朝客制化發展,將成為未來趨勢,為提高PMU使用彈性、擴大應用空間,針對某類型市場或處理器平臺,開發出客制化規格,才能創造出業者的市場競爭力。例如德州儀器針對三星的應用處理器,便推出了專屬PMU解決方案,希望通過提供客制化的PMU產品服務,積極開發類型(Catalog)PMU,提高產品市占率。
而意法半導體量產的整合型PMU,則是采模塊化策略,盡可能整合高階手機必要功能,如客戶有提出某項功能不合適,只需將該功能關閉繼續保留其它功能,滿足不同客戶對手機定位的要求。
圖 美國國家半導體高整合度燈光管理單元(LMU),內建高電壓升壓轉換器及可程序恒流驅動器,可以控制顯示器背光系統內高達20個串聯發光二極管,以及驅動設于小鍵盤和相機閃光燈內的發光二極管與紅綠藍 (RGB)光發光二極管。
分離式電源芯片 設計彈性佳
由于整合性電源管理芯片,仍有功能設計限制及彈性不佳缺點,無法為市面上所有手機附加功能全部整合在內,一旦選擇整合型PMU,如果設計生產過程出現瑕疵問題,則會影響到后續的作業程序;而分離式電源芯片有更多彈性設計,在規格上都能達到兼容,在功能性、設計方案可以有更多選擇性,可避免單一芯片商可能影響設計、生產…等問題。
整合性電源管理芯片種種設計限制,凸顯分離式電源芯片有更大彈性及變化優勢,特瑞仕半導體發展的多芯片封裝(MCM)模式,就屬于分離式電源芯片1種,其能針對有些微差異功能的手機,進行電源管理設計與功能變更,而整合型電源管理芯片,只能專用于某型號的手機中。
多芯片封裝(MCM)模式與LDO、DC/DC轉換器…等分離式電源管理芯片,其設計彈性大,使其能與整合型PMU市場地位并駕齊驅,而不少業者也紛紛提出類型化、模塊化芯片設計,分離式電源管理芯片可就單一功能進行技術研發,因應未來手機快速汰舊換新、求新求變的產業趨勢中,才能符合手機業者的客制化需求。
在提出分離式電源管理芯片業者中,美國國家半導體的移動像素鏈接(Mobile Pixel Link;MPL)實體層技術,針對影像顯示畫素造成的耗電進行管理,以進一步解決電源供應、噪聲、及穩定性問題,該技術主要應用于小型顯示器及數字相機。MPL能將RGB數據影像從原本24位傳送,轉換成18位數據進行傳送,影像訊號傳輸路徑變大,影像也較清晰,還可達到省電效果。
電池容量管理 增加使用效率
電池轉換技術不斷精進,然而電池容量卻仍趕不上手機廠商需求,與消費者對手機使用時間的滿足。雖然近年來,為提高手機電池使用時間,業者開始專注更多高能量電池開發,但對鋰離子電池的逐步改進預期,也僅能小幅增加2“3成電池容量。
電池容量短期內不會有突破性發展,就必須靠妥善管理電池容量,讓電池可以提供更長的使用時間,而適當的電池管理就顯得格外重要。例如對電池的偵測、充電控制、電池保護…等,都可有效管控電池容量狀況。透過電池偵測組件,可以檢視電池剩余電力,用簡單的電荷計量器,由中央處理器負責計算剩余電力,或是通過微控制器的量測組件,提供剩余供電時間、剩余電力、電池電壓、溫度、電流量…等數據數據,可讓使用者更有效掌握電池供電現況。

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