中心議題：

• 解讀手機電源管理技術方案

解決方案：

• 在提高電能的轉化效率上處理
• 在提高電能的使用效率上改善

suizheshoujidegongnengyuelaiyueduo

，yonghuduishoujidianchidenengliangxuqiuyeyuelaiyuegao，xianyoudelilizidianchiyijingyuelaiyuenanyimanzuxiaofeizheduizhengchangshiyongshijiandeyaoqiu。duici
，yejiezhuyaocaiquliangzhongfangfa，yishikaifajubeigenggaonengliangmidudexinxingdianchijishu，ruranliaodianchi
；二是在電池的能量轉換效率和節能方麵下功夫。

為(wei)手(shou)機(ji)提(ti)供(gong)電(dian)能(neng)的(de)技(ji)術(shu)在(zai)最(zui)近(jin)幾(ji)年(nian)雖(sui)有(you)不(bu)少(shao)創(chuang)新(xin)和(he)發(fa)展(zhan)，但(dan)是(shi)還(hai)遠(yuan)遠(yuan)不(bu)能(neng)滿(man)足(zu)手(shou)機(ji)功(gong)能(neng)發(fa)展(zhan)的(de)需(xu)要(yao)
，因(yin)此(ci)如(ru)何(he)提(ti)高(gao)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)技(ji)術(shu)並(bing)延(yan)長(chang)電(dian)池(chi)使(shi)用(yong)壽(shou)命(ming)
，已(yi)經(jing)成(cheng)為(wei)手(shou)機(ji)開(kai)發(fa)設(she)計(ji)中(zhong)的(de)主(zhu)要(yao)挑(tiao)戰(zhan)之(zhi)一(yi)。

同時，設計者還必須明白消費者對手機的要求，這主要體現在以下幾個方麵：第一，體積小。這要求提高係統的集成度
，縮小元器件的封裝體積
，減小PCB板的麵積，這可能會增加設計中解決電磁幹擾(EMI)的de難nan度du。第di二er，重zhong量liang輕qing。要yao求qiu使shi用yong高gao效xiao能neng的de電dian池chi

，在zai有you限xian的de體ti積ji和he重zhong量liang下xia，提ti高gao電dian池chi的de能neng量liang密mi度du。目mu前qian大da部bu分fen手shou機ji都dou使shi用yong單dan節jie鋰li離li子zi或huo鋰li聚ju合he物wu的de電dian池chi，容rong量liang為wei850-1000mAH。第di三san，通tong話hua時shi間jian長chang。要yao求qiu提ti高gao工gong作zuo時shi對dui電dian池chi中zhong電dian能neng的de轉zhuan換huan效xiao率lv，減jian少shao待dai機ji時shi的de漏lou電dian電dian流liu
，提ti高gao使shi用yong效xiao率lv。第di四si，價jia格ge便bian宜yi。要yao求qiu產chan品pin的de方fang案an集ji成cheng度du高gao，分fen立li器qi件jian少shao而er且qie成cheng本ben低di廉lian。第di五wu
，產chan品pin更geng新xin快kuai。要yao求qiu元yuan器qi件jian簡jian單dan易yi用yong、便於設計使用，硬件軟件平台統一，便於增加新的功能和特色。

因此
，手機的電源管理要在進行手機係統方案設計時綜合考慮，平衡省電、成本

、體ti積ji和he開kai發fa時shi間jian等deng多duo種zhong因yin素su
，進jin行xing最zui佳jia選xuan擇ze。總zong的de來lai講jiang，可ke以yi從cong提ti高gao電dian能neng的de轉zhuan化hua效xiao率lv和he提ti高gao電dian能neng的de使shi用yong效xiao率lv兩liang方fang麵mian著zhe手shou進jin行xing手shou機ji的de整zheng體ti電dian源yuan管guan理li。

一、提高電能的轉化效率

隨著對電源管理要求的不斷提高，手持設備中的電源變換從以往的線性電源逐漸走向開關式電源。但並非開關電源可以代替一切，二者有各自的優勢和劣勢，適用於不同的場合。

·線性電源

LDO具有成本低
、封裝小、外圍器件少和噪音小的特點。在輸出電流較小時
，LDO的成本隻有開關電源的幾分之一。LDO的封裝從SOT23到SC70、QFN，直至WCSP晶圓級芯片封裝，非常適合在手持設備中使用。對於固定電壓輸出的使用場合

，外圍隻需2到3個很小的電容即可構成整個方案。

超低的輸出電壓噪聲是LDO最大的優勢。TI的TPS793285輸出電壓的紋波不到35μVrms，又有極高的信噪抑製比，非常適合用作對噪聲敏感的RF和音頻電路的供電電路。同時在線性電源中因沒有開關時大的電流變化所引發的電磁幹擾(EMI)，所以便於設計。

但LDO的缺點是低效率，且隻能用於降壓的場合。LDO的效率取決於輸出電壓與輸入電壓之比：η=VoutVin。在輸入電壓為3.6V(單節鋰電池)的情況下，輸出電壓為3V時

，效率為90.9%
，而在輸出電壓為1.5V時，效率則下降為41.7%。這樣低的效率在輸出電流較大時
，不僅會浪費很多電能
，而且會造成芯片發熱影響係統穩定性。

·開關式電源

電感式開關電源是利用電感作為主要的儲能元件，為負載提供持續不斷的電流。通過不同的拓撲結構，這種電源可以完成降壓、升壓和電壓反轉的功能。

電感式開關電源具有非常高的轉換效率。在產品工作時主要的電能損耗包括：內置或外置MOSFET的導通損耗，主要與占空比和MOSFET的導通電阻有關；動態損耗，包括高側和低側MOSFET同時導通時的開關損耗和驅動MOSFET開關電容的電能損耗，主要與輸入電壓和開關頻率有關
；靜態損耗，主要與IC內部的漏電流有關。

在電流負載較大時，這些損耗都相對較小
，所以電感式開關電源可以達到95%的效率。但是在負載較小時
，這些損耗就會相對變得大起來，影響效率。這時一般通過兩種方式降低導通損耗和動態損耗，一是PWM模式：開關頻率不變


，調節占空比。二是PFM模式：占空比相對固定，調節開關頻率。

電感式開關電源的缺點在於電源方案的整體麵積較大(主要是電感和電容)，輸出電壓的紋波較大。在PCB布板時必須格外小心以避免電磁幹擾(EMI)。

為了減小對大電感和大電容的需要以及減小紋波，提高開關頻率是非常有效的辦法。TI的TPS62040的開關頻率達1.2MHz，當輸出電流為1.2A時，外部電感隻需6.2μH。今後TI還會推出開關頻率更高的產品。
[page]
·電容式開關電源

電荷泵是利用電容作為儲能元件，其內部的開關管陣列控製著電容的充放電。為了減少由於開關造成的EMI和電壓紋波
，很多IC中采用雙電荷泵的結構。電荷泵同樣可以完成升壓、降壓和反轉電壓的功能。

由於電荷泵內部機構的關係
，當輸出電壓與出入電壓成一定倍數關係時，比如2倍或1.5倍，最高的效率可達90%以上。但是效率會隨著兩者之間的比例關係而變化，有時效率也可低至70%以下。所以設計者應盡量利用電荷泵的最佳轉換工作條件。

由於儲能電容的限製，輸出電壓一般不超過輸入電壓的3倍，而輸出電流不超過300mA。電荷泵特性介於LDO和電感式開關電源之間，具有較高的效率和相對簡單的外圍電路設計，EMI和紋波的特性居中，但是有輸出電壓和輸出電流的限製。

二、提高電能的使用效率

在手機中，減少能量的浪費、將盡量多的可用電能用於實際需要的地方，是省電的關鍵。

·信號處理係統

信號處理係統主要是信號處理器是(shi)手(shou)機(ji)的(de)核(he)心(xin)部(bu)分(fen)，它(ta)如(ru)同(tong)人(ren)的(de)心(xin)髒(zang)，會(hui)一(yi)直(zhi)工(gong)作(zuo)
，因(yin)此(ci)它(ta)也(ye)是(shi)一(yi)個(ge)主(zhu)要(yao)的(de)手(shou)機(ji)電(dian)能(neng)消(xiao)耗(hao)源(yuan)。那(na)麼(me)應(ying)如(ru)何(he)提(ti)高(gao)它(ta)的(de)效(xiao)率(lv)呢(ne)？一(yi)般(ban)來(lai)說(shuo)可(ke)采(cai)用(yong)以(yi)下(xia)兩(liang)種(zhong)方(fang)法(fa)。

方法1：分fen區qu管guan理li。將jiang處chu理li某mou項xiang任ren務wu時shi不bu需xu要yao的de功gong能neng單dan元yuan關guan掉diao，比bi如ru在zai進jin行xing內nei部bu計ji算suan時shi
，將jiang與yu外wai部bu通tong信xin的de接jie口kou關guan斷duan或huo使shi其qi進jin入ru睡shui眠mian狀zhuang態tai。為wei了le達da到dao這zhe一yi目mu的de，手shou機ji中zhong的de信xin號hao處chu理li器qi往wang往wang涉she及ji很hen多duo個ge內nei部bu時shi鍾zhong，控kong製zhi著zhe不bu同tong功gong能neng單dan元yuan的de工gong作zuo狀zhuang態tai。另ling外wai，為wei不bu同tong功gong能neng塊kuai供gong電dian的de電dian源yuan電dian路lu是shi可ke以yi關guan斷duan的de。

方法2：改變信號處理器的工作頻率和工作電壓。目前絕大多數的信號處理器是用CMOS工藝製造的。在CMOS電路中，最大的一項功率損耗是驅動MOSFET柵極所引起的損耗。可以看出功率損耗與頻率和輸入電壓
，即IC的電源電壓的平方成正比。所以針對不同的運算和任務，把頻率和電源電壓降低到合適的值
，可以有效地減少功率損耗。

TI的DVS(動態電壓調整)技術有效地將處理器與電源轉換器連接成閉環係統，通過I2C等總線動態地調節供電電壓，同時調節自身的頻率。TPS65010集成了充電電路
、電感式DCDC和LDO。同時還可以通過I2C總線對各路輸出電壓進行調節，非常適合為OMAP和類似的處理器供電。

·音頻功率放大部分

音頻功率放大器是手機中又一能量消耗大戶，輸出功率可達750mW，對於帶有免提功能的手機可達2W。如何提高放大器的效率呢？傳統的技術采用AB類線性放大器，其效率隨輸出功率變化，最好隻有70%。使用D類功率放大器，利用PWM的方式
，可使效率提高到85-90%。

目mu前qian為wei了le使shi設she計ji者zhe更geng方fang便bian地di進jin行xing電dian源yuan管guan理li
，一yi些xie廠chang商shang開kai發fa了le電dian源yuan管guan理li的de軟ruan件jian用yong於yu嵌qian入ru式shi操cao作zuo係xi統tong。運yun用yong這zhe類lei操cao作zuo係xi統tong，可ke以yi有you效xiao地di降jiang低di軟ruan件jian編bian製zhi中zhong的de工gong作zuo量liang，同tong時shi優you化hua係xi統tong的de電dian源yuan管guan理li。

電dian源yuan管guan理li對dui手shou持chi設she備bei日ri趨qu重zhong要yao。一yi個ge高gao效xiao的de係xi統tong是shi要yao將jiang電dian源yuan管guan理li的de觀guan念nian貫guan穿chuan於yu設she計ji的de每mei一yi個ge環huan節jie，並bing且qie平ping衡heng係xi統tong多duo方fang麵mian因yin素su設she計ji完wan成cheng的de。隨sui著zhe半ban導dao體ti技ji術shu和he電dian路lu設she計ji技ji術shu的de發fa展zhan
，會hui有you越yue來lai越yue多duo的de節jie能neng技ji術shu湧yong現xian，為wei手shou持chi產chan品pin的de不bu斷duan發fa展zhan助zhu力li。

總結

本文是手機電源管理技術的探索

，在提高電能的轉化效率上，研發出線性電源、開關式電源、·電容式開關電源
；而在提高電能的使用效率上，在信號處理係統、音頻功率放大部分方麵下功夫

，通過本文我們可以全麵認識到手機電源管理技術的知識。相信對廣大電子工程師們有很多的幫助。