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3G手機電源管理的設計挑戰

作者: 時間:2012-11-06 來源:網絡 收藏

自21世紀一開始,第三代移動通信技術就已經處于主流技術的邊緣。然而在過去的時間里,該技術啟動所必須的各項技術和運營業務之間并未實現對接,從而導致的大規模應用的必然推遲。

2006年是3G走上主要舞臺的最后機會。在用戶頭腦中,手機的概念已經從語音設備發展到了以多媒體為中心的終端設備。手機作為一個多媒體播放設備已是意料之中的,用戶期望能依賴該設備播放音樂、數字電視、游戲等相關業務。從客戶那里得到的反饋消息給無線運營商們吃了一個“定心丸”,從而促使他們對基礎設施進行大量投資來升級網絡,以適應從EDGE到W-CDMA的下一代無線通信標準。運營商們也意識到以語音服務為基礎的無線市場的競爭日趨激烈,語音電話業務的增長量比較低,尤其是歐洲和北美這些成熟市場,他們必須立即開始提供以數據為中心的多媒體業務,否則利潤會變得更低。另一方面,大量的用戶需求以及運營商在3G基礎設施的重大投資也促使那些主要手機制造商向3G進行重大的戰略轉移,去爭取市場的領先地位。

手機的多媒體應用需要高速數據傳送,這就凸顯了快速移動與數據傳送速率之間的取舍問題。雖然2G和2.5G標準(如GPRS、EVDO)提出了用手機實現網上沖浪或者鈴聲下載這些概念,但下載速度太慢,令人難以忍受,從而使應用受限。

近年來隨著W-CDMA、CDMA-EVDO Rev.A(不久將來的EVDV)的出現,手機的下載速度與以前相比會有顯著的提高。W-CDMA的HSPA(高速鏈路分組接入)標準支持很好的移動性和1Gb/s數據傳輸率。手機另一個共同的特性就是包含了Wi-Fi連接,支持無線局域網,但是應用卻限制在無線熱點范圍內。還有一些像移動WiMAX這樣的標準以及與之等效的韓國WiBro,將無線熱點范圍擴大到主要都市的各個區域。所有這些技術都促進了傳統的語音通信向基于IP的數據通信過渡。

面臨的挑戰:

只能增加新功能,不能增加結構尺寸

新的無線通信標準使下一代手機迅速地發展起來。現在的趨勢是:在不增加結構尺寸的情況下,手機要盡其可能具備更多的功能和應用。

事實上,現在風靡的產品如蘋果公司的iPOD及摩托羅拉的Razr已經給便攜式電子產品注入了更薄、更優美和更流暢光滑的概念。支持更快的下載速度。具有MP3播放和視頻下載功能的手機日漸普及,手機需要具備大容量存儲功能,在手機中集成小于1英寸的硬盤驅動器和大容量閃存,能夠使存儲容量提高到4G。不過最顯著的趨勢是將出現不久的mini SD卡和micro SD卡用作為可插拔的存儲器件。SD卡可以看成“新型軟盤”,用于在PC機和手機之間數據的互相交換,也可以用作為數據(比如照片信息)共享的一種方式。說到照片,對大部分用戶而言,手機作為數碼相機已是最基本的配置了。在日本具有3百萬像素相機功能的手機占據廣大的市場,韓國已經開始嘗試7百萬像素的手機相機,這使得手機看起來更像一個相機而不是電話。除了逐步提高分辨率之外,還在手機中置入更高亮度的閃光燈,從而可以用手機相機拍下高質量的相片。  

實際上,下一代的手機里會設計兩個相機。高分辨率的相機用于靜止畫面拍攝,低分辨率的相機用于抓拍短的視頻畫面。2005年業界談論最多的手機應用無疑是數字電視功能,韓國在引進數字電視也務方面走在市場的前沿,2005年已經支持DMB標準。幾乎所有的專業手機制造商都意識到了該功能的潛力,正在對此加大投資。今年夏天符合全球DVB-H標準的手機已出現在歐洲手機市場,并顯示了世界杯的精彩畫面。還有其他功能如Wi-Fi和游戲已經對市場形成了沖擊,而一些新的應用比如電子支付也處于成長期。不過要滿足以上提及的3G手機的各種應用,必須使用專用處理器。  

如何延長工作時間

手機用戶希望能增加所有新的功能而又不犧牲工作時間和電池壽命。雖然便攜式設備的技術正在不斷發展,但每年電源能量密度的改善都只有5%左右,遠遠不能滿足3G手機額外的電源需求。因此重擔落在了的肩上,即在無法依賴電池本身來延長電源工作時間的情況下,需要一種新的解決方案以維持更長的工作時間。使用新型的效率為85-90%的DC-DC降壓轉換器替代效率僅為40%的線性調節器成為必然趨勢。

3G手機中大多數數字處理器,照相機和主要的存儲設備都由開關調節器來控制供電,以便能獲得最長的工作時間。當然,諸如Wi-Fi和數字電視處理器這樣的新應用同樣也需要高效的電源管理。開關調節器還會用來調控下一代CDMA和W-CDMA功率放大器的功率電平,這樣平均來說也可以節省50%的電量。但是在手機中采用太多的開關調節器也存在問題,由于每路電源需要一個電感器和輸出電容器,開關穩壓器還占用較大的電路板面積,在材料成本上的開銷也相應增加。這些都是下一代手機必須克服的挑戰。

圖1顯示出2007年初3G手機電源管理解決方案的框圖。

圖1:一種3G手機電源解決方案

為了解決上述所面臨的嚴峻挑戰,應該從下面四個方面入手:

選用良好的封裝  

研發出盡可能小的開關調節器是實現最佳開關調節解決方案的第一步。迄今為止,塑封產品如SOT23在便攜式電子產品中具有競爭力。但是現在設計師必須優先考慮芯片級封裝技術(例如,國家半導體公司的mico SMD封裝技術),該技術使用非常小的封裝可以提供相同的功能。圖2給出了相同器件采用塑封與采用芯片級封裝的比較,區別是顯而易見的。


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