2003年:多媒体手机电源管理趋于智能化 开关技术取代线性稳压成为主流

上网时间: 2002年12月28日? 作者:梁国萍? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:便携式电源?

2003年多媒体手机将成为市场无可比拟的亮点,也使功率器件和电源管理解决方案供应商激情澎湃,对他们来说,这是一个在技术变革上大显身手一决胜负的年头。手机功能在过去几年得到令人注目的增长,除了彩屏、摄像拍照、音频播放、无线接入以外,嵌入PDA、MPEG-4、GPS、蓝牙等功能也不断闪亮登场。新功能对手机的功率器件及电源管理方案的效率和外形尺寸提出了极为苛刻的要求,也给了供应商拼比实力的绝好机会。

Gartner Dataquest公司的高级分析师Ada Cheng指出,目前的电池技术无法跟上由于功能增加导致的能量需求增长的步伐,因此电源管理将继续充当一个行业推进器的角色。世界功率管理技术市场目前的规模约为100亿美元,其中用于信息产业的功率半导体约为60亿美元,整个市场正在以每年30%的速度增长。

本刊特别采访了业内数家知名的手机功率器件及电源管理IC供应商,邀请他们对2003年的热门产品和技术走向作了预测。从各公司的预测看,为了满足多媒体移动终端对电源管理的更高要求,在性能不变的前提下,功率器件将朝着集成度更高、功耗更低和封装尺寸更小的方向发展;而监控、分配、开关等系统电源管理方案将更为智能化。

多媒体手机对功率器件特性的特殊要求增多

多媒体手机比普通手机功耗大,增加最多的是基带、照相机、内存及显示模块。因此,对功率器件和电源管理集成电路在电源管理效率上有着特殊要求。功耗更低、效率更高、电源分配更合理、尺寸更小,成为选择功率器件和电源管理IC时必须要考虑权衡的关键因素。

立?科技(RichTek Technology)表示,未来基于空间更小以及更高效率的需求,“集成”势在必行。未来也需要思考在不同的状况下,例如在待机时,不需使用的电源也应确实关闭,以达成最大的系统效率。

RF Micro Devices无线产品部副总裁Eric Creviston则表示,将继续专注提供更高效率,更小电量消耗的功率放大器。高功率驱动的应用需要更多的电池能源,在功率放大器中集成更多功能,例如整合谐波滤波器和收/发开关,优化功能接口,使发射端总体效率更高。2003年:多媒体手机电源管理趋于智能化 开关技术取代线性稳压成为主流_Eric Creviston:先进半导体工艺帮助提升功率器件效率和线性度。_1

AnalogicTech公司表示,新的USB标准将使移动手机成为主或从设备,这取决于手机是与电脑还是数字相机相连。这种功能需要下一代电源功率器件充当“功率分配器”(power-deliverers)的角色,而以往只是个“功率消耗者”。

国际整流器公司和安森美公司认为,P沟道和N沟道MOSFET场效应管的发展趋势是导通电阻越来越低,动态响应要更快,才能减小电能消耗,延长电池寿命。而单栅极和双栅极逻辑器件产品则要求具有更低噪声、更低工作电压的特性。

模块功能更趋于智能化

手机中最重要的一块就是对待机和功能模块切换进行电源管理,以实现较高的转换效率和更合理的电能分配。从各公司对功率器件和电源管理单元的研发重点上,我们可以看出以下趋势:电源管理解决方案将更趋于智能化、系统化和全面化。功率器件供应商也将更紧密地与处理器内核供应商合作开发系统级的解决方案。

由于3.3V锂电池和电子设备的电压下降,在手机中使用LDO稳压器将更加困难。飞兆半导体计算设备部企业战略总监Reno Rossetti预计将会在电源管理中看到更多上游集成、更多开关和更少LDO。2003年:多媒体手机电源管理趋于智能化 开关技术取代线性稳压成为主流_Reno Rossetti:预计将会在电源管理中看到更多上游集成、更多开关和更少LDO。_2

美国国家半导体公司(NS)便携式电源系统副总裁Peter Henry也指出,过去几年,手机中的芯片组工作电压最低为2.5V。新芯片组、基带处理器和应用处理器均采用0.18微米下至0.13微米技术实现。常规电源管理系统依靠线性稳压器,在低电压负载时效率很低。虽然开关稳压器能应付目前的设计要求,但未来手机电源设计将更多依赖于更智能化的电能保持技术,与处理器的协同关系也会更为密切。

Rossetti对此表示同意,他说虽然功率器件将由功率IC公司提供,但电源管理单元(PMU)将成为逻辑应用处理器IC的一部分。与笔记本和台式电脑平台的开发模式相似,CPU制造商和功率IC公司将密切合作,确保PMU和PMIC之间能够顺畅协作。

Rossetti预测,虽然电源管理会使平均功率下降,但功能密集的器件将需要更高的功率峰值。因此,手机的下一代稳压器将从单片解决方案(片上控制器和电源驱动器),转向具有单个或多个稳压控制器以驱动外部功率晶体管的分离型解决方案。因此,下一代产品的处理器将加入片上电源管理单元,能够在“根据需要”的基础上编排手机各部分的操作,使功率消耗减到最低。手机的各部分将由多个稳压器或单个“组合式”电源管理IC 从外部供电,并可通过串行总线与PMU通信。处理器的速度将随所处理的任务变化,而其电源供应也将作出相应的分级,以便提供较高的电压支持高速运作。

目前有这种思路并已展开研制工作的公司是美国国家半导体。该公司与ARM合作开发RISC处理器内核手机的电能保持技术。国家半导体称,长期以来,处理器供应商及电源管理芯片厂商都各自开发自己的技术,虽然技术上有不少改进,但这些传统的技术始终有其局限性,未来的发展空间也不大。这次NS和ARM采用全新的系统方法,利用NS的PowerWise电源管理方案,在通用的电压调节器元件之外,还包含处理器部件、操作系统和软件,确保便携式设备可以灵活调节性能及功耗,以便充分节省电能。PowerWise功率管理IC核心部份是一个自适应(adaptive)功率控制器。这种方案以智能型电源管理芯片管理嵌入式系统的性能及功耗,全面顾及整个系统的用电要求,改变了传统的模式。Peter Henry声称,该方案能延长手机的电池寿命25%~400%。

开关稳压器将取代线性稳压器

为满足MPEG-4和彩色显示驱动手持设备等高功率驱动应用的需求,新一代设备将会集成一些关键器件。安森美半导体亚太区模拟集成电路产品部总监黄勋德预测单独使用或集成在电源管理单元中的“开关式稳压技术”器件将会被广泛采用。

美国国家半导体的Peter Henry指出,较传统的电源管理系统依靠线性稳压器,在低电压负载时效率很低。为解决以上问题,最新一代的手机开始采用开关稳压器,如NSC的LM2608,目的是为处理器提供非常高的DC-DC转换效率。

凌特公司电源业务部副总裁兼总经理David Bell也持同样观点,他解释说这是为了提供能让用户接受的电池使用寿命。VSPACE=12 HSPACE=12 ALT="David Bell:多媒体手机对高性能电源管理IC需求将剧增">

D级功放将取代AB级功放成为主流

而效率高达80%~90%的D级功率放大器也被首推为最热门的器件之一。由于AB类功率放大器的效率太低,只有10%?20%,输出200mW的信号时耗电量为2W~4W。与AB级放大器相比,D级功放电能浪费很少,还具有容易集成在LSI上的优点。

降低功率放大器的耗电量是最终目的。在D级功放上应用切换技术,使用基于输入信号生成的PWM(脉冲宽度调制)信号来控制最后一级Power MOSFET的开关动作,通过低通滤波器等使输出信号波形趋于平滑、并获得增幅信号。D级放大器的效率可达到80%?90%,比AB级放大器要高得多,这样就可以减少耗电量。

其它由手机新功能增加而趋于热门的功率器件除D级功放外,Reno Rossetti指出,降压转换器、充电泵、P-沟道DMOS、模拟开关、微型逻辑(TinyLogic)栅,以及陶瓷电容将大受市场欢迎,而低噪声LDO将继续受到RF部分重用。

立?科技补充道,模拟端的热门集成器件还有PMIC电源管理系统监控器、智能Gas Gage、高效率背光、RF和无噪音DC-DC转换器。

新封装技术涌现,供货问题引起关注

随着手机新潮功能的不断增加和成本压力,对器件和IC的外形尺寸限制也越来越高。新型的小型化封装解决方案和先进工艺配合新技术的发展相继涌现。当前,功率器件多采用SOT-23封装,而飞兆Reno Rossetti则指出,SC70封装将掳去SOT-23封装的大部分份额,而BGA(球栅阵列)封装将逐渐流行。如场效应管将越来越流行采用Micro-8LL无引脚封装,与TSSOP-8封装的同类竞争器件相比,占用的电路板空间减少48%。

Peter Henry认为,由于手机的核心功能部件――WANVSPACE=12 HSPACE=12 ALT="Peter Henry:电源管理系统在技术上必须实现根本的变革。"> Modem将趋于标准化,对GSM、CDMA或WCDMA都保持透明,采用“堆栈式封装”技术可以很好地解决数字处理电路、RF前端和电源分配电路的集成问题。制造商为开发并生产不同功能配置的手机款型,趋向在基础型号的手机上按需要选配现成元件,只需极少额外空间,因此芯片级封装如microSMD将广为流行。

黄勋德表示,开关稳压器件将采用微型封装方案(例如QFN、BGA和Microbump)以及亚微米模拟CMOS芯片技术。

Eric Creviston看好高集成度的多芯片模组,并预测未来封装工艺将使多种技术集成到非常小的空间上,例如在层压基板上采用嵌入无源结构。他相信AlGaAs 和 InGaP HBT半导体工艺可进一步提高功放的效率和线性度。

AnalogicTech也提供一种先进的封装技术,大大提高可用的引脚数,占位面积比流行的标准SOT23和MSOP8器件小一半,适用于标准制造工艺,无需再进行困扰焊球封装的可靠性测试。

立?科技看好倒装芯片技术,可以大幅增进散热能力,并认为未来系统级芯片封装能大量减少组件数量,将逐渐成为主流。而工艺主流为BiCMOS和高压工艺。

值得注意的是,中国手机制造商在选用新型封装的器件和IC时,需要弄清供货能力能否满足要求。

作者:梁国萍


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