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电信研究院:让3G手机更节能

来源:通信产业报 信息产业部电信研究院 王立群?? 2007年02月08日 ?? 收藏0

  在手机无法依赖电池本身来延长电源工作时间的情况下,需要一种新的解决方案。采用新型的DC-DC降压转换器技术替代效率仅为40%的线性调节器成为必然趋势。

  随着新的无线通信标准出现,将使手机迅速地发展起来。因此,在不增加结构尺寸的情况下,手机如何降低功耗,并实现更多的功能和应用呢?

  实际上,现在风靡的产品如苹果公司的iPOD已经给便携式电子产品注入了更薄、更优美和更流畅光滑的概念。3G手机支持更快的下载速度,手机需要具备大容量存储功能,在手机中集成小于1英寸的硬盘驱动器和大容量闪存,能够使存储容量提高到4G。

  不过手机用户希望能增加所有新的功能而又不牺牲工作时间和电池寿命。虽然便携式设备的电源管理技术正在不断发展,但每年电源能量密度的改善都只有5%左右,远远不能满足3G手机额外的电源需求。因此重担落在了电源管理的肩上,即在无法依赖电池本身来延长电源工作时间的情况下,需要一种新的解决方案以维持更长的工作时间。

  为了解决上述所面临的严峻挑战,应该从下面四个方面入手:第一、研发出尽可能小的开关调节器是实现最佳开关调节解决方案的第一步。迄今为止,塑封产品如SOT23在

便携式电子产品中具有竞争力。但是现在设计师必须优先考虑芯片级封装技术,该技术使用非常小的封装可以提供相同的功能。

  第二、通过电感器入手来优化外围元件,电感器体积较大同时也增加开关调节器的成本。手机使用的常规绕线电感器大小约为3mm×3mm×1.5mm,而多层片式电感器的体积就小得多。如果片式电感器大批量投产,在价格上有望比线绕电感器便宜30%,这是手机制造商降低材料成本的关键地方。不过多层片式电感器的缺点之一是随着直流电流的增加,其电感值会降到很低;而线绕电感器则不然,在达到饱和电流之前,其电感值都是恒定不变的。系统设计师在选择片式电感器时必须要考虑到这点。

  第三、引进电荷泵技术来完成DC-DC的降压转换,是达到尺寸和效率最优组合的另一个有效手段,使用开关电容的最大好处是不再需要电感器,而只需要体积很小的陶瓷电容器。这个优点引人注目,因为整体尺寸会比采用磁性电感开关调节器减小约40%,而且还减少了材料成本。

  随着电荷泵技术的发展,采用一个高质量的开关电容器后效率可以达到75%以上,而外形尺寸只是磁性调节器的一半,同时还具有可比的静态电流和精度。对于供电电压低于2V、低电流(小于250mA)的数字负载,考虑的主要因素是效率,因为开关电容和电荷泵的工作时间几乎相同。将磁性的DC-DC变换器与开关电容降压调节器作一个比较,使用一个550mAh的锂离子电池来测试工作时间,利用电磁降压的工作时间是330分钟,而利用开关电容降压的则是309分钟,这个差别对电池的使用寿命来说可谓微不足道。

  第四、为了减小体积并改善性能,用于3G的下一代数字处理器正在向90纳米和65纳米工艺技术演进,这促使供电电源降低到接近1V。其结果,输出电压的电压精度和瞬态性能成为电源的关键参数。一个要求供电电源为1.2V(公差为±5%)的数字处理器所允许的最大偏差不超过60mV。电源设计者面临的挑战是保证稳压器的输出电压非常稳定,尤其是直流-直流的变换。这些器件还应该具有极好的瞬态响应能力,使得输出电压的上下过冲很小,特别是在输出电流或者输入电压产生突变的场合下。这些性能可通过昂贵的集成电路实现,但由于尺寸的限制,故也不是一个可行的选择。

  电源调节器的另一个关键参数是静态电流,即电源IC自身消耗的电流。为了使手机的待机时间达到最长,该电流必须非常小,因为设备在绝大多数时间上消耗的就是这个电流。为了实现这么低的静态电流,必须采用新的拓扑结构。不过,静态电流越低通常也就意味着调节器性能也越低,而这对于下一代的处理器来说也是不能接受的。


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