手機(jī)功能整合愈來愈多，然電池容量的增長，卻始終未能跟上功能變化腳步，如何在有限容量下，提高手機(jī)的使用時(shí)間，良好的電源管理與提升工藝技術(shù)，都是減少手機(jī)功耗的有效作法。??

傳統(tǒng)只用來應(yīng)付通訊功能的手機(jī)，已無法滿足消費(fèi)者的應(yīng)用需求，MP3功能手機(jī)成為必要配備，而多種多媒體功能設(shè)計(jì)，都成為3G手機(jī)時(shí)代下，業(yè)者標(biāo)榜功能訴求。

具照相攝影功能的手機(jī)，需要有復(fù)雜的相機(jī)引擎與高亮度閃光燈；而隨著無線通訊頻寬增加，應(yīng)用高速處理器，可提供執(zhí)行Bluetooth無線傳輸、衛(wèi)星定位、手機(jī)上網(wǎng)、數(shù)字電視、語音訊號(hào)編/譯碼…等音視訊處理能力。

然功能要求愈來愈多的結(jié)果，手機(jī)電池的負(fù)荷勢必更為沉重，手機(jī)內(nèi)部用電設(shè)計(jì)，也變得更為繁復(fù)，因此需要更適合的省電技術(shù)，以因應(yīng)手機(jī)中各種功能需求。顯然，如何將大量的功能整合在1個(gè)小空間內(nèi)，整合恰當(dāng)?shù)母咝阅?a href="http://www.1cnz.cn/analog/" target="_blank">模擬與數(shù)字組件是最根本的作法。

再者，現(xiàn)階段在無法提升手機(jī)電池容量情況下，有效壓低數(shù)字訊號(hào)處理器的功耗變得更為重要，除透過進(jìn)步的工藝技術(shù)降低數(shù)字訊號(hào)處理器驅(qū)動(dòng)電壓外，良好的電源管理，成為節(jié)省手機(jī)功耗的不二法則，才能設(shè)計(jì)出符合消費(fèi)者對(duì)手機(jī)長時(shí)間使用的需求。



圖 多媒體手機(jī)，除通訊功能外，各種影音、視訊、無線傳輸能力，已成為手機(jī)配備功能，但也同時(shí)增加電池功耗，因此需要更多電源管理技術(shù)，增加手機(jī)使用時(shí)間

顯示屏幕及射頻區(qū)塊 耗電居前兩名

一般手機(jī)使用時(shí)，約有超過90%的時(shí)間處于待機(jī)狀態(tài)，但屏幕上仍然要顯示日期、時(shí)間、電池電量、收訊狀態(tài)，而此時(shí)待機(jī)模式的耗電，需要整個(gè)屏幕來支持顯示，因此顯示器部分成為手機(jī)耗電一大問題。

目前手機(jī)上大多是使用TFT LCD作為顯示器，LCD屬于被動(dòng)顯示，需有背光源才能發(fā)揮顯示效果。背光源設(shè)計(jì)，除開關(guān)On/Off外，還須有調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流來改變LED的亮度，調(diào)整亮度的方法可借控制正向電流，來減少顯示器功耗，主要方法有2種，1種是利用固定電流來驅(qū)動(dòng)LED，固定電流可消除正向電壓變化導(dǎo)致的電流變化，可以固定LED亮度；另外1種方法是利用1個(gè)電壓電源和1個(gè)整流電阻器，來確定產(chǎn)生預(yù)期正向電流所需要向LED提供的電壓。

除了屏幕是電源功耗一大殺手外，另外1個(gè)功耗來源，就是射頻區(qū)塊部分。當(dāng)中以射頻零組件中的功率放大器消耗功率為最大，強(qiáng)調(diào)更好輸出效率的放大器電路已愈來愈受重視，同時(shí)其功耗也逐漸獲得大幅改善。

新一代的移動(dòng)電話開始采用更低的電池電壓同時(shí)，射頻功率放大器就必須改變?cè)O(shè)計(jì)方向，目前HBT射頻功率放大器技術(shù)，必須適用于3.0伏特以上電壓，而用于低電壓直流電源上取得高線性射頻功率輸出，就必須仰賴E-pHEMT技術(shù)，如此能為手機(jī)制造商提供更好的功率加效率(PAE)、低壓操作和高可靠性…等獨(dú)特優(yōu)勢相對(duì)于HBT，E-pHEMT技術(shù)，具備高電壓下較佳效率，在低偏壓下更具吸引力。由于E-pHEMT組件，可在低于2伏特的低偏壓條件下，維持良好的線性與增益表現(xiàn)，可以避免付出降/升壓轉(zhuǎn)換器的成本與功率耗損，也能在不加入不必要組件的條件下，提高電池效率并延長手機(jī)通話時(shí)間。



圖 美國國家半導(dǎo)體0.4mm厚的超薄集成電路封裝技術(shù)，適用于更輕薄短小的移動(dòng)電話、顯示器、MP3播放器、PDA及其它可攜式電子產(chǎn)品。

壓差線性穩(wěn)壓器LDO減少音頻功耗

手機(jī)各種音訊功能，如MP3播放、多和弦鈴聲和FM廣播…等功能，都會(huì)增加手機(jī)功耗。因此如何讓音訊電路最佳化達(dá)到低功耗設(shè)計(jì)，成為延長電池時(shí)間的重要問題。

而改善音訊耗電能方法，手機(jī)音訊組件多要求具備較好的噪聲抑制、低工作電壓、高功效性能。目前一般最常見采用壓差線性穩(wěn)壓器(Low Dropout regulator；LDO)來抑制噪聲(PSRR)。線性調(diào)壓是最常見且最易應(yīng)用的電壓調(diào)整方式，其優(yōu)點(diǎn)是封裝體積小、外部組件少，利于電路面積有限的手持裝置設(shè)計(jì)。

LDO是電路板設(shè)計(jì)上常見的直流轉(zhuǎn)換組件，LDO都是高電壓轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換電壓，功耗相當(dāng)?shù)停杂胁糠蛛娏膿p，如果音頻放大器能夠提高到超過60dB，就不需要應(yīng)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(wěn)壓器AS1369，僅占1mm2 PCB空間，適合移動(dòng)電話與PDA…等空間有限裝置。AS1369 LDO可實(shí)現(xiàn)性能提升，延長電池壽命。

DC/DC電源轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品 可減少LDO需求

在電源管理IC選擇中，終端市場對(duì)產(chǎn)品尺寸及電源轉(zhuǎn)換效率要求日益嚴(yán)苛，因此屬于低成本但效率較差的LDO線性穩(wěn)壓器，漸受到電源轉(zhuǎn)換效率較好，但設(shè)計(jì)和成本門坎較高的交換式穩(wěn)壓器(Switching Regulator)威脅，例如直流轉(zhuǎn)直流轉(zhuǎn)換器(DC/DC Converter)市場的沖擊與威脅，造成LDO量縮，甚至因此導(dǎo)致價(jià)格下跌，價(jià)格競爭壓力，讓不少電源IC業(yè)者轉(zhuǎn)投入DC/DC電源產(chǎn)品研發(fā)。

高頻率的DC/DC轉(zhuǎn)換器，可讓系統(tǒng)周邊僅須搭配很小的電感或電容即可，進(jìn)而縮減電路板面積，當(dāng)手機(jī)與數(shù)字相機(jī)(DSC)朝輕薄設(shè)計(jì)發(fā)展，勢必要減少系統(tǒng)對(duì)于單顆LDO需求。因此，使用單組LDO的機(jī)率就愈低，不少廠商都轉(zhuǎn)向投入DC/DC轉(zhuǎn)換器研發(fā)，包括以經(jīng)營LDO為主的安茂微電子，也正全力投入DC/DC轉(zhuǎn)換器開發(fā)。

整合電源管理芯片趨勢

1.低階手機(jī)基頻芯片整合PMU??

PMU主要是用于解決手機(jī)內(nèi)部電源管理問題，發(fā)展PMU的主要目標(biāo)，即是為手機(jī)做有效節(jié)電，以避免效率轉(zhuǎn)換損失。目前低階手機(jī)芯片的核心主軸基頻芯片，已朝整合PMU電源管理模式發(fā)展，由于基頻芯片整合PMU可節(jié)省手機(jī)空間，PMU可具不占空間以及高整合性優(yōu)勢，讓廠商致力于發(fā)展基頻芯片整合PMU方案。

2.高階手機(jī)應(yīng)用處理器整合PMU??

而高階手機(jī)部分，如3G智能型手機(jī)配備多媒體影像、無線傳輸功能設(shè)計(jì)，其應(yīng)用處理器耗電量更大，因此就必須發(fā)展專用、整合型PMU，以降低應(yīng)用處理器耗電量。例如，意法半導(dǎo)體就整合了USB OTG高速(High Speed)與音訊編/譯碼(Audio Codec)，因應(yīng)智能型手機(jī)對(duì)音訊的精致度要求，讓手機(jī)具快速數(shù)據(jù)傳輸功能。而美國國家半導(dǎo)體，也針對(duì)LED發(fā)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(fā)展，將成為未來趨勢，為提高PMU使用彈性、擴(kuò)大應(yīng)用空間，針對(duì)某類型市場或處理器平臺(tái)，開發(fā)出客制化規(guī)格，才能創(chuàng)造出業(yè)者的市場競爭力。例如德州儀器針對(duì)三星的應(yīng)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(chǎn)品服務(wù)，積極開發(fā)類型(Catalog)PMU，提高產(chǎn)品市占率。

而意法半導(dǎo)體量產(chǎn)的整合型PMU，則是采模塊化策略，盡可能整合高階手機(jī)必要功能，如客戶有提出某項(xiàng)功能不合適，只需將該功能關(guān)閉繼續(xù)保留其它功能，滿足不同客戶對(duì)手機(jī)定位的要求。



圖 美國國家半導(dǎo)體高整合度燈光管理單元(LMU)，內(nèi)建高電壓升壓轉(zhuǎn)換器及可程序恒流驅(qū)動(dòng)器，可以控制顯示器背光系統(tǒng)內(nèi)高達(dá)20個(gè)串聯(lián)發(fā)光二極管，以及驅(qū)動(dòng)設(shè)于小鍵盤和相機(jī)閃光燈內(nèi)的發(fā)光二極管與紅綠藍(lán) (RGB)光發(fā)光二極管。

分離式電源芯片 設(shè)計(jì)彈性佳

由于整合性電源管理芯片，仍有功能設(shè)計(jì)限制及彈性不佳缺點(diǎn)，無法為市面上所有手機(jī)附加功能全部整合在內(nèi)，一旦選擇整合型PMU，如果設(shè)計(jì)生產(chǎn)過程出現(xiàn)瑕疵問題，則會(huì)影響到后續(xù)的作業(yè)程序；而分離式電源芯片有更多彈性設(shè)計(jì)，在規(guī)格上都能達(dá)到兼容，在功能性、設(shè)計(jì)方案可以有更多選擇性，可避免單一芯片商可能影響設(shè)計(jì)、生產(chǎn)…等問題。

整合性電源管理芯片種種設(shè)計(jì)限制，凸顯分離式電源芯片有更大彈性及變化優(yōu)勢，特瑞仕半導(dǎo)體發(fā)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(duì)有些微差異功能的手機(jī)，進(jìn)行電源管理設(shè)計(jì)與功能變更，而整合型電源管理芯片，只能專用于某型號(hào)的手機(jī)中。

多芯片封裝(MCM)模式與LDO、DC/DC轉(zhuǎn)換器…等分離式電源管理芯片，其設(shè)計(jì)彈性大，使其能與整合型PMU市場地位并駕齊驅(qū)，而不少業(yè)者也紛紛提出類型化、模塊化芯片設(shè)計(jì)，分離式電源管理芯片可就單一功能進(jìn)行技術(shù)研發(fā)，因應(yīng)未來手機(jī)快速汰舊換新、求新求變的產(chǎn)業(yè)趨勢中，才能符合手機(jī)業(yè)者的客制化需求。

在提出分離式電源管理芯片業(yè)者中，美國國家半導(dǎo)體的移動(dòng)像素鏈接(Mobile Pixel Link；MPL)實(shí)體層技術(shù)，針對(duì)影像顯示畫素造成的耗電進(jìn)行管理，以進(jìn)一步解決電源供應(yīng)、噪聲、及穩(wěn)定性問題，該技術(shù)主要應(yīng)用于小型顯示器及數(shù)字相機(jī)。MPL能將RGB數(shù)據(jù)影像從原本24位傳送，轉(zhuǎn)換成18位數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送，影像訊號(hào)傳輸路徑變大，影像也較清晰，還可達(dá)到省電效果。

電池容量管理 增加使用效率

電池轉(zhuǎn)換技術(shù)不斷精進(jìn)，然而電池容量卻仍趕不上手機(jī)廠商需求，與消費(fèi)者對(duì)手機(jī)使用時(shí)間的滿足。雖然近年來，為提高手機(jī)電池使用時(shí)間，業(yè)者開始專注更多高能量電池開發(fā)，但對(duì)鋰離子電池的逐步改進(jìn)預(yù)期，也僅能小幅增加2"3成電池容量。

電池容量短期內(nèi)不會(huì)有突破性發(fā)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(shí)間，而適當(dāng)?shù)?a target="_blank">電池管理就顯得格外重要。例如對(duì)電池的偵測、充電控制、電池保護(hù)…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(jì)量器，由中央處理器負(fù)責(zé)計(jì)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(shí)間、剩余電力、電池電壓、溫度、電流量…等數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)，可讓使用者更有效掌握電池供電現(xiàn)況。



圖說：德儀電池電量監(jiān)測芯片，可測量電池放電率、溫度、老化程度，及其它因素對(duì)電池阻抗的影響，量測電池使用壽命的準(zhǔn)確率高達(dá)99%。