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新一代便攜產(chǎn)品中更*的電源管理技術(shù)
在便攜式電子產(chǎn)品中，需要有的管理。這在蜂窩電話（簡稱手機(jī)）中表現(xiàn)得尤為突出。在過去幾年中，手機(jī)的使用已經(jīng)，正在成為人們普遍使用的語音通信工具。在2003年，手機(jī)的銷售量已超過五億部。不僅如此，為了吸引更多的消費(fèi)者，手機(jī)廠商和服務(wù)運(yùn)營商不斷推出彩顯、照相機(jī)、MP3播放機(jī)、PDA等各種新的手機(jī)功能和諸如下載多和弦鈴聲、多媒體短信、數(shù)據(jù)等各項(xiàng)服務(wù)。隨著手機(jī)朝著多功能化和“智能化”的方向發(fā)展，對(duì)電源管理也提出了更大的挑戰(zhàn)，成為推動(dòng)電源管理產(chǎn)品發(fā)展的主要因素。
隨著這些新的功能納入到手機(jī)之中，使用者希望通話時(shí)間超過三小時(shí)，待機(jī)時(shí)間達(dá)到兩百小時(shí)以上，因而率的電源管理顯得更加重要。這就是說，的有限容量進(jìn)行管理方面，所有主要的電源子系統(tǒng)──音頻、基帶處理器、顯示器以及電池充電器──都有進(jìn)一步改進(jìn)的機(jī)會(huì)。
音頻子系統(tǒng)
在近幾年中，音頻子系統(tǒng)有了很大的變化?，F(xiàn)在全過下載鈴聲所帶來的收入超過了十億美元。另外，娛樂的功能，例如播放FM和MP3音樂以及多媒體的功能要求提高聲音的質(zhì)量和具有立體聲。免提聽筒電話和手持式對(duì)講機(jī)這些新的使用方式促使人們采用功率更大的音頻放大器，并且使用DC－DC升壓轉(zhuǎn)換器來產(chǎn)生較高的電壓，以便讓放大器能夠產(chǎn)生很大的音頻輸出。在音頻方面的這些改進(jìn)直接影響著電池的壽命，因?yàn)閭鹘y(tǒng)的AB類音頻功率放大器能夠達(dá)到的大效率是在50 %至63 %的范圍。
所以，每輸出一毫瓦的音頻功率，在放大器上損耗掉、變成熱量的功率也是一毫瓦。如果用電源取代線性穩(wěn)壓器的話，就可以提率。人們正在利用開關(guān)技術(shù)來設(shè)計(jì)小功率（低于2瓦）D類音頻放大器，專門滿足蜂窩電話中提率的需要。在下面的圖中，在手機(jī)中常用的功率范圍內(nèi)，比較了AB類音頻放大器和D類音頻放大器的效率。采用D類功率放大器時(shí)，除了效率提高了超過30 %，還大大地減少了AB類放大器所帶來的發(fā)熱點(diǎn)，從而提高了產(chǎn)品的可靠性。由于頭帶耳機(jī)需要的功率?。?0 – 100 mW），預(yù)計(jì)比較簡單的AB類功率放大器會(huì)廣泛用于播放立體聲。
基帶處理器
手機(jī)的心臟是基帶處理器。在發(fā)射和接收語音和數(shù)據(jù)時(shí)，所需要的控制功能和信號(hào)處理功能都是由基帶處理器來完成的。隨著亞微米CMOS工藝的發(fā)展，可以進(jìn)行更高水平的系統(tǒng)集成，同時(shí)降低功耗?；鶐幚砥饕酝怯玫蛪航捣€(wěn)壓器（LDO）供電，而LDO是接到電池上的。由于鋰離子電池的額定電壓是3.6 V，在芯核的電壓是2.5 V至2.8 V時(shí)，在效率、成本和PCB的空間三者之間，這是一個(gè)合理的折衷方案，效率在70 %至78 %?，F(xiàn)在處理器是用0.13微米至0.18微米的CMOS工藝制造，芯核的電壓已經(jīng)下降到1.0 V至1.8 V。在芯核的電壓低于2 V的情況下，下圖對(duì)率同步整流降壓轉(zhuǎn)換器和LDO兩者的效率作了一個(gè)比較?？梢钥闯觯_關(guān)穩(wěn)壓器有著明顯的效率優(yōu)勢。
人們不僅關(guān)心打電話時(shí)對(duì)電力的管理，在待機(jī)時(shí)也必須考慮電力的管理。在使用一節(jié)800 毫安時(shí)的電池時(shí)，為了讓待機(jī)時(shí)間延長到400個(gè)小時(shí)，就要求平均電流不超過2 mA。為了電流的平均值能夠達(dá)到這個(gè)數(shù)值，我們讓電話進(jìn)入靜態(tài)電流很低的睡眠狀態(tài)，它每隔一段時(shí)間醒過來，看看是否有人打電話來。在GSM標(biāo)準(zhǔn)中，這稱作間斷接收（DRX），占空比取決于網(wǎng)絡(luò)，可以改變。為了節(jié)省電力，在這個(gè)辦法中，基帶處理器進(jìn)入睡眠狀態(tài)，而大部份的功能處于待機(jī)狀態(tài)。對(duì)于德州儀器的OMAP5910處理器，為了在睡眠狀態(tài)下進(jìn)一步節(jié)省電力，芯核的電壓也可以從1.5 V降低到1.1 V。圖3說明，在軟件的控制下，NCP1510同步降壓穩(wěn)壓器可以在兩個(gè)不同大小的電壓之間改變，以滿足對(duì)電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)管理的要求。電壓低于1.8 V的應(yīng)用處理器在手機(jī)中的應(yīng)用將會(huì)持續(xù)增加，以提供圖像、播放視頻、以及PDA等新的功能。使用靜態(tài)電流小、效率高的降壓轉(zhuǎn)換器在用一節(jié)鋰離子電池時(shí)效率可達(dá)到90 %以上。
顯示器
小彩色顯示器已經(jīng)成為手機(jī)的主流顯示器了。對(duì)于在手機(jī)中納入照相的功能，彩色顯示器的廣泛采用起了關(guān)鍵性的作用。折疊式電話的主顯示器和副顯示器兩者都采用彩色的。現(xiàn)在彩色顯示器有使用STN 以及TFT LCD技術(shù)的，同時(shí)出現(xiàn)了有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）技術(shù)。使用LCD需要白色背光，因?yàn)轱@示器本身不發(fā)光。對(duì)于小型顯示器，通常是選用發(fā)白光的LED。
使用白光LED所遇到的問題是由于它*的特性而產(chǎn)生的。白光LED的正向電壓（Vf）與流過這種器件的電流及材料的特性有關(guān)，但是一般而言，正向電壓在3.2 V至3.8 V的范圍，而鋰離子電池在放電時(shí)的輸出電壓是在3.0 V至4.2 V的范圍。這樣，如果想用彩色顯示器，并且使用直接連接到電池上的一只電流源來帶動(dòng)LED，這個(gè)辦法就行不通。另外一個(gè)問題是一個(gè)小的顯示器（< 2英寸）也許需要三、四只白光LED，而在智能手機(jī)中用比較大的顯示器，往往需要用六至八只白光LED。背光需均勻，這樣顯示器就不會(huì)出現(xiàn)有的地方亮一些，有些地方暗淡一些的現(xiàn)象。所以，所有發(fā)光二極管中流過的電流大小必須嚴(yán)格地匹配。
解決背光問題的一個(gè)辦法是把白光LED并聯(lián)起來，用一個(gè)式泵電路帶動(dòng)它?？梢杂靡恢?1.5倍或者2倍的泵電路，或者兩者（1.5 倍和2倍）兼用的混合式泵電路，每個(gè)LED用一個(gè)匹配的電流源供電。這個(gè)方法對(duì)設(shè)計(jì)人員的吸引力很大，因?yàn)樾枰耐饨与娙萜鞅容^小?？上В眠@個(gè)方法會(huì)降低整個(gè)系統(tǒng)的效率，只有47 %至80 %不等。另一個(gè)方法是使用性的開關(guān)解決方案，所有的LED接成串聯(lián)電路。這樣可以保證電流是匹配的，在工作電壓范圍相同時(shí)，效率可以很容易達(dá)到80 %至90 %。但是這個(gè)辦法需要使用電感器，占用的面積增大了。在效率方面的差別所產(chǎn)生的影響與產(chǎn)品中顯示器的使用方式有關(guān)。例如，標(biāo)準(zhǔn)的電話只是在撥號(hào)和接聽電話時(shí)才使用顯示器，而智能電話顯示器的使用率就高得多。當(dāng)然，那些比較新的、功能豐富的手機(jī)納入了照相功能和游戲功能，顯示器的使用率會(huì)更高，率的背光也變得很重要。