電池沒(méi)電或者經(jīng)常需要充電，哪一種更令人煩惱？現今手機(特別是智能型手機)在世界各地迅速普及，一周七天，一天二十四小時(shí)，人們隨時(shí)都保持著(zhù)聯(lián)機 的狀態(tài)。消費者似乎總是沒(méi)完沒(méi)了地進(jìn)行語(yǔ)音通話(huà)、收發(fā)電子郵件、發(fā)送短信和上網(wǎng)，永不知足�？墒撬羞@些手機功能都會(huì )消耗電池電量，眨眼之間，電池就只剩 下一格電量了。如何才能延長(cháng)手機的使用時(shí)間呢？當然，理論上只要使用較大的電池就能解決問(wèn)題，但是用戶(hù)總是希望手機越輕巧、越纖薄、越光滑越好，所以增大電池這個(gè)選擇是用戶(hù)所不能接受的。設計工程師不斷研發(fā)提高功率管理性能的方法，并把焦點(diǎn)集中在對功耗影響最大的三個(gè)部份。在手機中，除基帶處理器和射頻收發(fā)器之外，最能消耗電量的三個(gè)部份分別是功率放大器(PA)、顯示屏幕和應用/圖像處理器。為什么這三個(gè)部份會(huì )成為焦點(diǎn)呢？原因在于：現在人們往往同時(shí)通話(huà)和上網(wǎng)，這時(shí)，顯示屏幕總是處于開(kāi)啟狀態(tài)；此外，PA必須一直工作，以便向基站發(fā)射語(yǔ)音通話(huà)和數據；最后，要觀(guān)看網(wǎng)絡(luò )影片或進(jìn)行其它應用，應用處理器也 必須保持運行。
3G網(wǎng)絡(luò )的PA在信號較弱時(shí)的功耗尤其大，因為它需要更大的輸出功率才能連接到基站，并保持線(xiàn)性度要求以確保3G信號的不失真。3G PA的耗電量與輸出功率有關(guān)，輸出功率越大，電池中的電流也就消耗的越多。當發(fā)射信號需要更大的輸出功率，則消耗更多的電流。目前市面上有兩種可降低PA 耗電量的新技術(shù)：DC-DC轉換器和包絡(luò )跟蹤 (envelope tracking)。DC-DC轉換器在智能型手機中的運用日益廣泛，它的工作原理是把3G PA的電源電壓步降至既能夠滿(mǎn)足所需輸出功率級要求、同時(shí)又能大大降低耗電量的級別。采用這種解決方案可帶來(lái)雙重好處――第一是延長(cháng)通話(huà)/使用時(shí)間，第二 則是減少散熱。飛兆半導體的FAN5902就是專(zhuān)門(mén)針對3G PA而設計的一款附有旁路模式的800mA、6MHz 降壓DC-DC轉換器，可以降低功耗，延長(cháng)連接/通話(huà)時(shí)間。
FAN5902與基帶處理器和3G PA協(xié)同工作以降低耗電量�；鶐幚砥鲿�(huì )根據它從基站接收到的信息來(lái)設定PA的輸出功率等級，然后再將之轉換為FAN5902的控制電壓，輸出給PA。借 著(zhù)動(dòng)態(tài)地調節PA的電源電壓和電流，FAN5902能夠延長(cháng)至少15%的手機通話(huà)和數據使用時(shí)間。圖1所示為DG09功率分布函數下獨立式3G PA 和采用FAN5902 的 3G PA 之間的性能比較。表1總結了不同條件下的性能。
圖1：在采用 WCDMA信號調制和1000mAh鋰離子電池的條件下，使用有FAN5902 和不使用FAN5902 的3G PA的通話(huà)時(shí)間分析。
功率分布函數是DG09，參見(jiàn)GSMA的“電池壽命測量技術(shù)，v4.7”白皮書(shū)。
表1
除了延長(cháng)通話(huà)時(shí)間之外，采用DC-DC轉換器的解決方案還有助于降低散熱量，從而可避免手機或USB 適配器(Dongle)/數據卡過(guò)熱。圖2所示為使用FAN5902和不使用FAN5902的3G PA的熱量分布圖。
圖2： POUT = 28dBm時(shí)的3G PA熱量分析: (a) 帶 FAN5902，VPA = 2.97V,
(b) 只有PA，VBAT = 3.70V ，(c) 只有 PA，電池充電期間 VBAT = 4.20V
顯示屏幕是在PA之后的第二大主要耗電部件，因為使用者無(wú)論是查詢(xún)或搜尋聯(lián)絡(luò )信息、上網(wǎng)瀏覽、閱讀電子郵件還是觀(guān)賞移動(dòng)電視/ YouTube?影片，顯示屏幕總是處于開(kāi)啟的狀態(tài)。TFT LCD是目前主要的顯示技術(shù)，而它需要白光LED來(lái)提供背光。這種趨勢在尺寸較大的LCD顯示屏幕市場(chǎng)比較明顯，故意味著(zhù)需要較多的白光LED來(lái)為顯示屏 幕提供有效的背光，也就意味著(zhù)需要為L(cháng)ED和顯示屏幕本身提供更大的電流。在高端手機和智能型手機中，同時(shí)采用動(dòng)態(tài)背光控制(dynamic backlight control, DBC)和自動(dòng)調光功能(auto luminous control, ALC)不僅可以使耗電量盡量減小，還能提升用戶(hù)的視覺(jué)體驗。ALC需要采用一個(gè)環(huán)境光傳感器(ambient light sensor)來(lái)檢測周?chē)h(huán)境的光強度，并根據程序在LED驅動(dòng)器或應用處理器中的算法來(lái)設定LED電流。
因此，LED電流會(huì )根據照明條件來(lái)設定。當四周環(huán)境很暗時(shí)，LED電流被設定為低，而陽(yáng)光直射時(shí)就設定為最大。另一方面，DBC技術(shù)可根據顯示屏幕上的圖 像/影片內容來(lái)調節LED電流：若影片中某個(gè)場(chǎng)景的內容比較昏暗，這時(shí)LED電流也較低；若場(chǎng)景較明亮，則反之。DBC根據圖像處理器或LCD驅動(dòng)器IC 發(fā)出的脈寬調制(PWM)信號對電流進(jìn)行編程，并隨顯示的影片內容的變化而不斷改變。圖 3(a)所示為飛兆半導體通過(guò)屏幕獲取軟件程序得到的ALC和DBC工作情況，用來(lái)展示環(huán)境光亮度級別(左圖)和相應的LED電流。雖然不能充分說(shuō)明，但 由外部PWM 的“藍色顯示棒”仍可看出DBC的作用，靜態(tài)PWM級則隨著(zhù)圖像或影片內容升高或降低。飛兆半導體評測工具套件的ALC和DBC展示圖見(jiàn)圖3(b)。
圖3： (a) 沒(méi)有采用ALC 和 DBC的屏幕顯示 (b) 采用ALC和DBC功能的屏幕顯示
飛兆半導體的FAN5702 是帶I2C接口的180mA 電荷泵LED驅動(dòng)器，可經(jīng)由配置來(lái)提供ALC 和 DBC功能。環(huán)境光傳感器與應用處理器或基帶處理器連接，接收輸入并根據外部照明條件的算法來(lái)確定適合的LED電流水平。這個(gè)數據經(jīng)由I2C接口發(fā)送給 FAN5702，再根據資料來(lái)設定LED電流。FAN5702的PWM/EN接腳針對PWM工作而編程，且與LCD 驅動(dòng)器 IC連接，后者根據顯示屏幕上的圖像/影片內容把PWM信號發(fā)送給FAN5702。圖4所示為同時(shí)采用了ALC 和 DBC的FAN5702的系統模塊示意圖。手機顯示屏幕采用ALC 和 DBC將有助于節省多達50%的功耗。
圖4：具有ALC 和 DBC功能的FAN5702的系統模塊示意圖。
第三大主要功耗部件是應用/圖像處理器；如果顯示屏幕是開(kāi)啟的，則該芯片組將全面運行。不過(guò)，它也并非總是一直處于滿(mǎn)功率運行狀態(tài)。例如，當芯片組以較低 功率水平運行時(shí)，可以采用動(dòng)態(tài)電壓調節技術(shù)(DVS)。這是一種非常適合于手機及其它便攜式電子產(chǎn)品的解決方案，因為其電源電壓可被調降至更低的核心電 壓，并可以讓芯片組在較低頻率頻率下工作， 從而有助于降低耗電量。這一點(diǎn)可由下列的方程式來(lái)說(shuō)明：
這里，功率(P)與頻率頻率(f)和核心電壓(V)的平方之乘積成正比。因此，處理器的頻率頻率越快，功耗越大。而隨著(zhù)核心電壓減少，功耗會(huì )以平方的速度降低。
應用處理器可以采用FAN5365來(lái)供電， FAN5365是一款附帶 I2C接口的 6MHz、 800mA/1A 步降式 DC-DC 轉換器，能夠提供最佳省電效果。I2C接口可用來(lái)以12.5mV的步長(cháng)在0.75V 到 1.975V的范圍內對電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)編程，以滿(mǎn)足芯片組的處理能力要求。當使用者觀(guān)賞網(wǎng)上的影片時(shí)，FAN5365能夠為應用處理器提供1.2V的核心電 壓，以獲得最大的處理能力，而一旦影片短片結束，電壓就會(huì )降至0.8V，進(jìn)入較低電平工作狀態(tài)。
目前有多種簡(jiǎn)單或復雜的技術(shù)，可以提高手機(尤其是智能型手機)的整體功率管理性能。通過(guò)在手機中整合分別針對PA、顯示屏幕和處理器核心的一種或所有三 種功率管理解決方案，就能夠大幅地節省能源，延長(cháng)手機工作時(shí)間。這些設計都是從手機的用戶(hù)體驗和需求出發(fā)，因為用戶(hù)真正關(guān)心的是，不要在關(guān)鍵時(shí)刻出現手機 沒(méi)電的尷尬局面，以及不必頻繁地為手機充電。 |
