淺談智能手機電源管理解決方案趨勢與展望

　　作為手機基礎(chǔ)芯片的電源管理單元就像一部發(fā)動機，驅(qū)使智能手機在3G的高速公路上飛馳。雖然現(xiàn)有的電源拓撲方案能滿足當前應(yīng)用需求，但已慢慢接近技術(shù)與器件的瓶頸，亟需突破。

　　如今的智能手機能夠滿足用戶越來越高的要求，比如更大的顯示屏、更多的傳感器、更快速度的無線連接方式、更強大的數(shù)據(jù)處理能力以及更時尚的云端服務(wù)等等，而高清和3D視頻播放、Flash界面、WiFi無線上網(wǎng)更是成為智能手機的必備功能，所以要求移動處理器能夠提供更強的處理能力、更快的處理速度?，F(xiàn)在處理器能夠運行主頻達到1.5GHz甚至2GHz以上，這樣勢必對電源管理能力提出了更大的挑戰(zhàn)。第一，需要更高的效率，延長手持終端接入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的時間；第二，需要的功率密度更大，以滿足終端更大的功率需求；第三，擁有雙核、四核甚至更多核的處理器和更大的內(nèi)存容量以實現(xiàn)多任務(wù)的強大應(yīng)用功能，所以需要不同電壓等級和上電時序，使得整個系統(tǒng)復(fù)雜化；第四，需要高度集成的電源解決方案，減少片外無源器件，使移動便攜產(chǎn)品更加輕巧和緊湊；第五，需要更低的靜態(tài)功耗，以實現(xiàn)更長的待機時間；第六，需要更低的核電壓，降低核心芯片的片內(nèi)功耗。針對電源管理新的發(fā)展方向和需求，下面將探討幾種新的適用于手機電源方案的buck、boost變換器拓撲，并對關(guān)鍵技術(shù)指標的發(fā)展趨勢進行展望。

　　高頻化的渴望與無奈

　　DC-DC變換器的高頻化是電源技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)，高頻化帶來的好處就是使變換器空前地小型化甚至微型化，使得DC-DC變換器能夠進入移動便攜產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域，推動移動產(chǎn)品的小型化與輕便化。變換器的微型化實質(zhì)上就是盡可能減小其中儲能元件體積，包括儲能電感和濾波電容。此外，高頻化還能夠抑制干擾，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能，滿足由于核心芯片快速的數(shù)據(jù)處理以及高速網(wǎng)絡(luò)的接入帶來的對電源高品質(zhì)、高性能的要求。因此，高頻化是智能移動設(shè)備電源解決方案的主要發(fā)展方向之一。

　　但是，高頻化帶來產(chǎn)品和技術(shù)進步的同時，由于損耗產(chǎn)生的熱管理難題一直是如影隨行。變換器損耗主要來源于開關(guān)損耗和導(dǎo)通損耗，均直接和片內(nèi)開關(guān)管有關(guān)。導(dǎo)通損耗與開關(guān)管的材料以及工藝有關(guān)，而開關(guān)損耗則由開關(guān)頻率以及驅(qū)動電壓等決定。由于智能手機核心芯片的主頻不斷升級換代，與之配合的電源芯片勢必跟上這個趨勢。但顯而易見的是開關(guān)頻率上升到一定的程度就會帶來效率的惡化。因此，雖然高頻化的愿望是美好的，但與之相比效率的惡化則是嚴峻的現(xiàn)實。如何讓現(xiàn)實和美好的愿望完美統(tǒng)一？從下面的討論中我們可以得到一點啟示。

　　對高效率的不懈追求

　　DC-DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)多種多樣，但其功率損耗源基本包括在導(dǎo)通損耗、驅(qū)動損耗、分布電感開關(guān)損耗、與功率管開關(guān)時序有關(guān)的損耗、控制電路損耗以及線路損耗等方面，由于這些耗散源頭的存在導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率永遠小于100%。盡管如此，人們總盼望能把效率提高，無限接近100%。為此，無論是從學術(shù)界還是產(chǎn)業(yè)界，都試圖從控制技術(shù)、新的拓撲、新的工藝以及制程等方面獲得突破，不僅提高峰值效率，還努力提高全范圍的效率。對于智能移動應(yīng)用領(lǐng)域而言，由于負載電流基本集中在1A以內(nèi)，個別的負載模塊所需要的電流目前保留在5A以內(nèi)，所以提高這兩種應(yīng)用環(huán)境下的直流變換器的效率突破點不完全一樣。如果輸出功率不大，影響變換器效率主要在于靜態(tài)損耗，包括控制、驅(qū)動、開關(guān)管通斷切換損耗以及交流回路損耗等等；如果輸出功率較大，則影響變換器效率主要在于開關(guān)管導(dǎo)通以及線路損耗。

　　諸如PFM技術(shù)、軟開關(guān)技術(shù)以及多相交錯并聯(lián)等都可以提高變換器的效率。軟開關(guān)技術(shù)的最大優(yōu)點在于減少開關(guān)損耗、提高效率，并可大大減少電磁干擾，其基本思路是利用電感或電容等儲能元件，在開關(guān)管開通和關(guān)斷時將電壓/電流轉(zhuǎn)移或諧振到零，從而實現(xiàn)零電壓或零電流開關(guān)，實現(xiàn)高效率的高頻化。多相交錯并聯(lián)拓撲能在保持相同輸出電壓品質(zhì)的前提下，降低變換器工作頻率，從而從結(jié)構(gòu)上優(yōu)化效率；反之如果系統(tǒng)維持相同的工作頻率，則大大優(yōu)化變換器的輸出紋波與動態(tài)性能。這里重點介紹多相交錯并聯(lián)拓撲的優(yōu)勢與特點。

　　低電壓、大電流成必然趨勢

　　3G智能終端的數(shù)據(jù)處理速度和響應(yīng)性能日益提高，需要提供給處理芯片更大功率以滿足其在功耗方面的要求。降低損耗一直是設(shè)計者追求的目標之一，傳統(tǒng)的總線電壓為3.3V，可通過優(yōu)化電壓等級的方式來克服由于主頻的增加帶來的損耗方面的影響。按照摩爾定律，每18個月芯片的集成度會增加2倍，因此很難斷定電壓會降低到何種程度為止。如果這種趨勢無限制地持續(xù)下去，可以預(yù)想對電源的要求會越來越高。我們可以參考ITRS在2001年對CPU供電電壓和電流的預(yù)測，其預(yù)測在2012年前后核心處理芯片的供電電壓將低至0.75V以下，基本上來看該預(yù)測結(jié)果是符合實際情況的。

　　多相交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)

　　多相交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)技術(shù)適用于高頻、低壓大電流場合，能滿足DC-DC變換器日益提高的可靠性、效率和功率密度的要求，已成為小功率直流變換器研究領(lǐng)域的重要內(nèi)容之一。尤其在智能移動產(chǎn)品中，需要電源芯片有更高的效率、更快的動態(tài)性能以及更小的干擾。多相交錯并聯(lián)電路的等效開關(guān)頻率增加到原來頻率的n倍（n為并聯(lián)相數(shù)），因此受到開關(guān)頻率限制的臨界帶寬限制也可以相應(yīng)地提升。例如，在保持輸出單相開關(guān)頻率與總電容值基本不變情況下，通過并聯(lián)多個高頻磁片電容減小ESR，臨界帶寬會變寬而臨界電感變小。此時通過增加帶寬到此ESR對應(yīng)的臨界帶寬和減小每相輸出電感量到臨界電感量的手段，瞬態(tài)輸出紋波的最小值可以減小，動態(tài)特性可以提升?？偟膩碚f，多相交錯并聯(lián)技術(shù)可以在不增加直流變換器開關(guān)頻率的基礎(chǔ)上，不但減小了輸出紋波和輸出電容，而且可以一定程度上改善輸出動態(tài)響應(yīng)。反之，如果維持與單相buck變換器相同的輸出紋波和輸出電容，則可將多相交錯并聯(lián)變換器的開關(guān)頻率降為1/n（n為并聯(lián)的相數(shù)），這樣就能顯著降低開關(guān)損耗，提高效率。

　　與傳統(tǒng)的單相buck變換器相比多相交錯并聯(lián)結(jié)構(gòu)增加了一個或多個變換通道，每個變換器通道的控制信號相位間隔360o/n。這樣做的好處是：a） 功率平均分配在各個通道中，散熱性能良好，芯片設(shè)計簡單；b） 輸出電流可以達到更大，工作電壓可低至1V以下；c） 等效工作頻率是原來的n倍，加快了負載的瞬態(tài)響應(yīng)速度，降低了輸出紋波；d） 反之，維持同樣的響應(yīng)速度和輸出紋波可以降低開關(guān)頻率，提高效率，改善熱性能；e） 可以使用更小的輸出電感和電容等輸出元件，PCB布局得到改善。總之，多相交錯并聯(lián)buck變換器即將出現(xiàn)在智能手機的應(yīng)用中，滿足應(yīng)用處理器、圖形處理器等低電壓、大電流核心芯片不斷發(fā)展的需求。

　　單電感多路變換器

　　單電感多路輸出DC-DC變換器（SIMO）是利用單個電感實現(xiàn)多路輸出的直流變換器，因其高效靈活又節(jié)約成本得到了學術(shù)界與產(chǎn)業(yè)界的廣泛研究與關(guān)注，并出現(xiàn)在手機電源方案中。單電感多路變換器可以實現(xiàn)多路buck變換器、多路boost變換器甚至多路buck、boost、負壓混合變換器。結(jié)構(gòu)和控制雖然比較復(fù)雜，但在手機電源的應(yīng)用領(lǐng)域由于其突出特點和優(yōu)勢，將會改善電源管理單元（PMU）片外元件的電感數(shù)量以及PCB走線布局。作為單電感多路輸出變換器的基本拓撲分析，這里給出單電感雙路輸出變換器（SIDO）的拓撲及控制結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

　　從圖中可以看到，變換器有兩個輸出，但共用一顆電感，比傳統(tǒng)的雙路buck變換器少一顆電感。如果這種拓撲在PMU中實現(xiàn)，那么節(jié)省下來的電感則更多，這種拓撲的優(yōu)勢越發(fā)明顯。但由于在每路輸出端均串入一開關(guān)管，所以勢必會大大提高輸出紋波。有研究者提出，如果在兩路輸出端之間并入一顆飛跨電容Cf，則能大大降低輸出的紋波值。有數(shù)據(jù)說明，在電感電流連續(xù)（CCM）狀態(tài)以及一定的輸入/輸出電壓下，輸出電壓紋波能夠優(yōu)化到30mV左右。

　　除了優(yōu)化PMU片外元件以及PCB布局走線外，單電感多路變換器還可以實現(xiàn)升壓/負壓輸出，以滿足AMOLED的應(yīng)用。

　　結(jié)論

　　綜上所述，智能移動產(chǎn)品的功能與性能將不斷強化和提升，電源方案也必須要滿足系統(tǒng)在尺寸、空間、效率、輸出電壓品質(zhì)以及動態(tài)特性等各個方面的要求。為了適應(yīng)新的應(yīng)用要求與技術(shù)發(fā)展方向，未來多相交錯并聯(lián)技術(shù)和單電感多路輸出變換器技術(shù)將在智能移動產(chǎn)品電源解決方案中得到廣泛應(yīng)用。