手機(jī)電視、手機(jī)游戲以及音頻播放等多媒體應(yīng)用向手機(jī)中的電源管理" title="電源管理" target="_blank">電源管理設(shè)計(jì)提出了巨大的挑戰(zhàn)。手機(jī)設(shè)計(jì)人員需要在加入新的多媒體功能的同時(shí),，保持手機(jī)小巧的外形并維持電池的長(zhǎng)壽命,。新應(yīng)用處理器提供了出色的新功能,，但代價(jià)是功耗更高,。新的AV功能意味著音樂(lè)回放時(shí)間更長(zhǎng)，由此音頻放大的效率必需更高,，從而延長(zhǎng)回放時(shí)間。而且,，當(dāng)手機(jī)上的AV功能變得更成熟時(shí),，音頻質(zhì)量和輸出功率的要求也會(huì)更高。在本文中,，我們討論了一些解決方案,，可以幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對(duì)這些與新型多媒體手機(jī)電源和音頻放大有關(guān)的挑戰(zhàn),。
新應(yīng)用處理器的電源
為了使手機(jī)外形小巧,，使用集成電源管理單元(PMU)是非常普遍的,。PMU的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì),，而且與使用幾個(gè)分立元件電源解決方案相比,，減小了解決方案的總體尺寸。但是,，相反的是，多媒體功能的快速發(fā)展增加了獨(dú)立穩(wěn)壓器的使用,。由于新應(yīng)用處理器增加了多媒體特性,，所以現(xiàn)有的PMU不足以滿(mǎn)足其日益提高的電源要求。另一方面,，手機(jī)開(kāi)發(fā)的時(shí)間越來(lái)越短，使設(shè)計(jì)人員不能等待PMU的升級(jí),。因此,，獨(dú)立穩(wěn)壓器被用于提供新手機(jī)所需的額外系統(tǒng)功率。
除了考慮解決方案的成本因素外,，選擇獨(dú)立穩(wěn)壓器最重要的三個(gè)標(biāo)
準(zhǔn)是(不同設(shè)計(jì)的優(yōu)先考慮因素不同)：1. 低噪聲：穩(wěn)壓不能產(chǎn)生干擾周?chē)漕l系統(tǒng)的噪聲或EMI,。2. 功耗低：這意味著完全工作時(shí)效率高，且在輕載和待機(jī)狀態(tài)下電流小,。3. 解決方案尺寸小(大小和高度)：穩(wěn)壓器必需在一個(gè)高度低的封裝內(nèi),，而且外部無(wú)源元件也要細(xì)小。
同步步降轉(zhuǎn)換器的功耗
新處理器的理想穩(wěn)壓器是DC/DC步降轉(zhuǎn)換器,，其電源效率高(超過(guò)90%),，因此對(duì)板的散熱也較小。圖1顯示了集成了MPEG-4編解碼器的手機(jī)平臺(tái)系統(tǒng)框圖,。同步步降轉(zhuǎn)換器NCP1521用于提供芯片組的芯核電壓和I/O電路的電源電壓,。內(nèi)置同步整流器后，此降壓轉(zhuǎn)換器不需要外部肖特基二極管,，它提供了優(yōu)異的效率,，完全工作時(shí)效率范圍在90%到96%之間。它提供的可調(diào)電壓在0.9V和3.3V之間,，輸出電流高達(dá)600mA,。
在手機(jī)中，當(dāng)微處理器長(zhǎng)期處于待機(jī)狀態(tài),，轉(zhuǎn)換器進(jìn)入輕載區(qū)域,，效率將降到90%以下。為了降低長(zhǎng)期待機(jī)時(shí)的功耗,，NCP1521提供了一種解決方案,，可以自動(dòng)從高頻PWM轉(zhuǎn)換到脈沖頻率模式(PFM)，其開(kāi)關(guān)頻率與負(fù)載成正比,，因此在輕載情況下產(chǎn)生的功耗較小,。
尺寸小的解決方案
為了減小解決方案總體尺寸，新的降壓轉(zhuǎn)換器使用的開(kāi)關(guān)頻率在1MHz和2MHz之間。為了展示開(kāi)關(guān)頻率的效果,，我們采用市場(chǎng)上的1MHz步降轉(zhuǎn)換器,，它使用優(yōu)化的L-C濾波器值：L=10uH，Cout=10uF,。對(duì)開(kāi)關(guān)頻率為1.5MHz的NCP1521,，它要求的輸出濾波器為：L=2.2uH，Cout=10uF,。同樣地,，振蕩頻率為3MHz的NCP1522，優(yōu)化的L-C濾波器值是L=2.2uH,，Cout=4.7uF,。結(jié)果總結(jié)如表所示。
表1：L-C濾波器值與轉(zhuǎn)換器開(kāi)關(guān)頻率的比較
這一比較表明,，開(kāi)關(guān)頻率越高,，所需的電感和輸出電容越小，因此解決方案的總體尺寸也越小,。在PCB空間高度受限的多媒體手機(jī)設(shè)計(jì)中,，建議采用開(kāi)關(guān)頻率較高的NCP1522，以減小解決方案尺寸,，并降低無(wú)源元件的成本,。
引腳尺寸為3x3的SOT23-5是目前同步步降轉(zhuǎn)換器的業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)封裝。但市場(chǎng)上有更小的封裝選擇(如芯片級(jí)和DFN封裝),，以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)人員進(jìn)一步降低解決方案尺寸的需求,。
進(jìn)一步的集成：降壓和LDO集成在一個(gè)封裝中
從上述內(nèi)容中，我們已經(jīng)看到,，芯核電壓低,、功率需求高的新應(yīng)用處理器最好使用DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器供電。另一方面,，輸入電壓高達(dá)2.8V到3.3V的射頻敏感的模擬電路大多數(shù)依然由低噪聲LDO供電,。帶降壓轉(zhuǎn)換器和低噪聲LDO的集成功率集成電路(NCP1526)，為作為歐洲市場(chǎng)數(shù)字電視標(biāo)準(zhǔn)的DVB-H或具DMB啟動(dòng)的手機(jī)提供了靈活緊湊的解決方案,。
多媒體手機(jī)中的音頻回放挑戰(zhàn)
便攜式多媒體功能向手機(jī)中的音頻放大提出了兩大挑戰(zhàn),。首先，多媒體手機(jī)需要持續(xù)2小時(shí)以上的音樂(lè)和視頻回放,；其次,，手機(jī)上的音頻體驗(yàn)將接近家庭音像系統(tǒng)。手機(jī)音頻回放可以得到清晰,、立體和帶重低音的強(qiáng)大音頻,。
目前主流的手機(jī)揚(yáng)聲器由AB類(lèi)音頻放大器驅(qū)動(dòng),。當(dāng)MP3成為流行應(yīng)用,，且回放時(shí)間從幾分鐘增加到幾小時(shí)以后,，效率低和散熱差的AB類(lèi)放大器再也不能符合要求。因此越來(lái)越多的新設(shè)計(jì)采用了D類(lèi)音頻放大器,。
中等價(jià)錢(qián)手機(jī)的音頻放大功耗一般低于100mW,。最大輸出功率可達(dá)500mW。如圖2所示,，我們可以比較一個(gè)典型的AB類(lèi)和一個(gè)D類(lèi)音頻放大器NCP2820,。在50mW時(shí)，NCP2820的效率為80%,，而AB類(lèi)僅為20%,。對(duì)于100mW和500mW之間更高的功率工作范圍，D類(lèi)依然提供穩(wěn)定的85%到90%的效率,，但是AB類(lèi)依然很低,，位于30%和60%之間。這清楚地表明,，D類(lèi)放大器的出色效率,，有助于延長(zhǎng)音頻回放時(shí)間。
圖2：AB類(lèi)和D類(lèi)音頻放大器(NCP2820)的效率
由于效率低且散熱高,，AB類(lèi)放大器不能無(wú)飽和或無(wú)失真地提供高于1W的輸出功率,。而D類(lèi)放大器在開(kāi)關(guān)狀態(tài)下工作，所以它放大音頻信號(hào)的效率高,，因此可以提供更大的輸出功率,，以支持大容量音頻回放。
對(duì)于NCP2820,，它能夠?yàn)橐粋€(gè)8歐姆揚(yáng)聲器提供最高為1.4W的功率,，而將THD+N依然保持低于1%。由于揚(yáng)聲器輸出響應(yīng)對(duì)低頻信號(hào)進(jìn)行衰減,，所以額外的功率有助于提升低音聲音——這在音樂(lè)和游戲音頻回放中是重要的,。
對(duì)于立體聲4歐姆揚(yáng)聲器這種在MP3播放器中常見(jiàn)的附件，輸入電壓為5V的NCP2820最高可以為每個(gè)通道提供2.56W,。在這種情況下,，建議用5V至5.5V的恒定電壓為放大器供電，以確保恒定的大輸出功率,。DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器NCP1422提供5V的恒定電壓,，為立體聲應(yīng)用中的2個(gè)D類(lèi)放大器供電。
D類(lèi)放大器設(shè)計(jì)中的EMI考慮因素
在恒頻PWM開(kāi)關(guān)狀態(tài)下工作的D類(lèi)放大器可能產(chǎn)生對(duì)同一板上射頻工作有干擾的EMI,。兩項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)有助防止EMI干擾射頻系統(tǒng),。首先,，D類(lèi)放大器應(yīng)該放置在非常接近揚(yáng)聲器的地方。在立體聲應(yīng)用中,，建議采用2個(gè)單聲道放大器,，使設(shè)計(jì)人員可以將2個(gè)放大器放在手機(jī)兩端的2個(gè)揚(yáng)聲器旁邊。除此以外,，設(shè)計(jì)人員也應(yīng)該在放大器的輸出部位連接一個(gè)EMI濾波器,，如鐵氧體磁珠。EMI濾波器作為帶通濾波器,，可以在開(kāi)關(guān)信號(hào)沿著導(dǎo)線(xiàn)傳播到射頻電路之前將其消除,。