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3G手机和多媒体终端的节能与功率管理技术

美国国家半导体 孙玉昆



3G手机正大踏步地走来,手机的功能越来越强大,负载越来越多,其功率损耗也随之增大。如手机电视,GPS导航,拍照功能等,这些手机功能极大的丰富了人们对娱乐的需求,但同时也增加了手机的功耗。手机作为一种便携式和移动性的终端,它完全依靠电池来供电。为了保证手机的使用时间和待机时间,在手机设计中采用先进的节能和功率管理技术显得尤为重要。

良好的功率管理技术会从电路设计,芯片管理,系统结构作改进。美国国家半导体在手机节能和功率管理方面做了很多努力。手机中功耗较大的单元有:射频功率放大器,处理器,音频功率放大器等。针对这些单元,国半都有相应的产品使其功耗达到最小。


专供3G及CDMA射频功放的开关电源

图1是手机标准的演变进程,从1995年至2000年之间是2G和2.5G时代,2000年到2005年之间是2.5G到2.75G时代,2005年以后则是3G手机时代,标准包括了CDMA、DMA2000和TD-SCDMA。

图1 手机标准的演变过程(略)

从图1可以看到贯穿手机的演变的标准主线是手机的数据传输速率的增长,3G手机可以支持2兆以上速率,用户可以长时间的利用手机进行上网服务功能。因此,不仅在通话的过程中大量耗电,在上网服务过程当中的耗电量也相当大,因此需要降低射频功率放大器的损耗,从而提高手机待机时间和通话时间。国半采用Supa稳压器来实现降低射频功放的功率损耗。

在3G手机中,数据传输速率很高,必须采用线性功率放大器来实现功能,而线性功率放大器效率很低,对此国半采用专用的SuPA稳压器,放置在手机电池和功率放大器之间,它输出的电压是动态可调的,根据射频功率放大器输出功率的大小来调整动态电压,从而使效率大大的增加。

LM3205是国半使用非常广泛的一款SuPA芯片,其输入是依靠VOUT直接供电,输出则连接到射频功率放大器,输出的电压是动态可调的,但这并不是一个非常精确的控制方式,还可以采用另外一种方式,增加一个功率检波器,实时精准的检测射频功率放大器输出功率的大小,从而反馈给SuPA,实现闭环的动态功率节省。


PowerWise电源管理技术

在2005年高端手机的数字处理器架构,主要包括调制解调器和多媒体处理器。而当前的高端手机中,多功能需求的增加需要增加更多的应用处理器,比如无线广播处理器,专门负责数字电视广播,数字音频广播以及FM/AM;还需要增加网络设备的处理器,专门来负责Wifi、蓝牙、USB连接的处理器。因此在一个手机上需要四块功能强大的数字处理器。

图2为2005年高端手机中器件功率损耗的分布图,可以看到应用处理器占据20%以上功率损耗。到2008年的时 候高端手机中数字处理器将增加到4块,功耗会继续增加,因此在应用处理器上降低功耗,会使手机应用和待机时间得到大幅提高。

图2 2005年高端手机中器件功率损耗分离图(略)

国半一直致力于应用处理器的节能方式的研究,国半传统的解决方案称为“动态电压管理”,由数字处理芯片和PMU即国半的电源管理芯片构成,它可以给数字处理器供电,为外围器件提供电压。应用处理器可以根据自身的频率的不同反馈到PMU,PMU从而提供相对应的电压,实现待机至满负荷运转的动态调节。这种控制方式的缺点是通过模拟控制回路,而没有数字控制回路,采用接口是普通接口,没有数据增强接口,而且动态处理速率会较慢。

国半最新的powerwise先进电源管理方案,是由HPM硬件性能监测器,APC高性能电源管理控制,SPC辅助电源管理控制形成一个回路,通过Powerwise接口实现功能节省。HPM能够实时的监测处理器的工作状况、运行频率大小、温度状况及其他情况,为电源管理芯片传输实时信息,让电源管理芯片做出相应的处理,输出合适的电压给处理器,这样就实现了数字方式管理功能,能够节省70%以上的功耗。

国半第一代的PowerWise产品,需要分别给ARM和DSP应用处理器提供相应的电源管理芯片实现PowerWise功能。在第二代的PowerWise产品中,一个EMU能同时提供两个处理器支持。APC是高级应用管理控制,它能够同时接收到两个处理器电源信息,通过PWI2.0接口,提供给EMU,同时EMU进行相应的处理,输出两个动态电压信号,降低应用处理器的消耗。对于130 nm下的功率和能量的节省比率,而采用动态电压管理可以节省36%的功耗,如果采用powerwise电源管理芯片将能够节省64%的功率。国半通过提供SPC、APC等IP Core,植入应用处理器芯片,通过powerwise的功率管理接口实现高级自适应的动态管理电压。


高效率的D类音频放大器

手机中的音频放大器在工作时是非常耗电的,尤其是现在很多手机采用双立体声喇叭,这更加重了电池的负担。如果采用高性能的D类放大器,就能很大程度的避免这一问题。D类放大器的效率比AB类音频功放高两倍,能够延迟电池的寿命。AB类放大器平均效率在50%左右,而D类放大器可以达到80%以上,尤其是在低输出功率模式下D类放大器的效率优势更为明显。国半D类放大器架构简单,不需要单独滤波器,采用全差分输入,极大抑制音频信号干扰,封装体积很小。

D类放大器虽然能够省电,但会对射频产生EMI干扰。传统D类放大器具有单一的开关频率,在这个频率上会集聚大量的开关频谱,干扰GSM频段,使手机通话性能大大降低。国半免输出滤波器D类放大器采用扩展频谱技术,开关频率不是固定的,可以随机动态的调整,减少频谱能量,使RF噪声在更宽的频率上扩展,帮助缓解EMI问题。

国半设计D类放大器的原则包括,第一,将放大器摆放在尽可能接近扬声器的位置;第二,为了增加放大器的输出功率,扬声器在focs下应该具有感性;第三为了避免干扰,将电源相互隔离;第四,使用较低的增益;第五,输出线和电源线,使用更宽的走线;第六,输入电阻和电容尽可能的靠近放大器。

《世界电子元器件》2007.7
         
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