电源管理三大新趋势:便携式产品功能多样化的强劲动力

上网时间: 2006年06月01日? 作者:蔡景艳? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:飞利浦? 国家半导体? 德州仪器?

手机、PMP、PDA等便携式产品正在加速成为“个人娱乐兼商务中心”,为了支持层出不穷的新功能,厂商们对多媒体应用处理器的需求日趋提升,它必将逐渐超越基带处理器,成为便携产品PCB上的主角。因应这一变化,以PMU为代表的集成式电源更多以某类应用处理器的需求为设计导向;自然地,丰富的多媒体功能也带动了显示屏的尺寸提升和多屏趋势,对背光系统的新考验随之出现;同时,中国3G市场的真正全面启动亦会给电源管理带来新的挑战,比如,大量高速数据的传输使得3G手机的PA模块功耗大幅提升,对此必须有改进的电源管理方案,等等。

近年来面向便携式电子产品的电源管理市场一直是片热土,终端产品的持续走俏,使得电源管理器件市场水涨船高。据市场调研公司CIR的预测报告,面向便携式应用的电源器件市场将在2008年攀升至72亿美元。凭借对传统技术的精耕细作,以及对新思路的大胆应用,多家半导体公司在电源管理市场不断前行,期翼和终端厂商一起收获更多的成果。

以便携式产品为主的消费电子领域对电源管理器件的需求继续增长。

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数据来源:DATABEANS公司

PMU渐行渐热,聚焦对应用处理器的支持

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飞利浦移动通信电源管理市场总监Ronald van Cleef

便携式产品有限的PCB空间,以及丰富功能带来的多电压需求,促使人们不断追求集成化方案,PMU(电源管理单元)将传统分立的多个电源管理器件集成在单个的封装中,以其易用性和高集成度被越来越多的厂商青眼相加。“对于移动电话之类的便携式应用,可以将其分成不同的功能系统或子系统。我们的策略是为这些功能块指定专用的PMU。”飞利浦半导体公司手机及个人业务部门移动通信电源管理市场总监Ronald van Cleef表示他强调,在需要连接配套的外围设备、电池充电和背光灯需要提高电压时,“采用独立PMU极具优势。”

该公司新近推出的PMU型号为PCF50626,声称能将多功能手机、VoIP电话、便携游戏和音乐设备以及无线 PDA的功耗降低最高达70%,该PMU包括一个大电流充电器和多个电源,并集成了背景照明电路和触摸屏接口。飞利浦手机及个人业务部门移动系统市场经理Reinier van der Lee表示,与其它需要较多外接分立组件的同类半导体芯片相比,该芯片少占用25%的空间,BOM单可以节省约两美元。

特别值得一提的是,PCF50626含即时软件控制机制,能够支持英特尔公司基于第三代Intel XScale的最新处理器系列(代码名为 Monahans)并为之增添功能。这亦是飞利浦支持 Intel XScale系列移动应用处理器的第二代PMU。

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国家半导体亚太区便携式设备电源管理产品市场经理罗振辉

事实上,支持功能强大的应用处理器平台已经成为PMU开发的一大趋势,在高端市场尤其明显。“便携式电子产品的设计界面与以前大不相同,以前采用面向通信调制解调器的设计,但目前已改为面向应用处理器的设计,供电系统必须因应这个设计上的改变。”国家半导体公司(NSC)的亚太区便携式设备电源管理产品市场经理罗振辉解释道。NSC新推出一款面向智能电话或GPS/PMP 等高端便携式电子产品的PMU――LP3971。该产品内置3个可输出高电流的DC/DC转换器及5个LDO,另外还设有可传送实时时钟的供电干线。该公司介绍道,这款PMU不但具有数字设定功能,而且效率极高,“最适用于 Intel XScale的微结构。”罗振辉表示。

德州仪器(TI)则表示,其推出的电源管理单元TPS65020“可满足基于其OMAP处理器的移动手持终端与基于XScale的多媒体设备的电源需求。”包括智能电话、PDA、数码相机以及MP3与PMP等。该PMU支持多种电压,带有三个DC/DC转换器、三个LDO及一个I2C通信接口,可实现全面的可编程性。“我们将继续寻找新的方法来更高效地管理多电压需求,” 该公司的手持电源管理产品全球市场经理Philips Douglas强调。

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德州仪器手持电源管理产品全球市场经理Philips Douglas

针对中低端便携产品应用,厂商们也推出了多种电源管理方案。NSC目前在低端市场主推LP3927, 这款芯片内置5个LDO,“是最具成本效益的电源管理解决方案。” 罗振辉宣称。至于中档市场,NSC则以 LP3955 芯片为主打产品。这款芯片集成了DC/DC转换器及8个LDO。飞利浦面向中端市场的方案是系统Nexperia芯片组,此系统PMU控制所有关键系统电源管理,包括主电池和备用电池充电。

总的来看,分立与集成各有所长。PMU正在渐行渐热,但目前离散的电源解决方案仍是主流。安森美半导体(On Semiconductor) 的模拟IC产品应用经理Jacques Lavernhe解释道,只采用标准解决方案,而不努力与其它手机制造商有所区别,将导致手机变成具有标准功能的标准手机。这对于那些对技术越来越敏感、对新功能要求越来越高的消费者来说,难以令其满意。飞兆半导体亚太区总裁郭裕亮的看法进一步揭示了PMU的局限性:“无论是哪一种手机,总有一些功能是在开始定义产品时没有考虑到的,而这往往需要额外的电源。”――市场需求的日趋细化,促使电源管理新产品和新思路前行不辍,也让OEM厂商有了更多选择。

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安森美模拟IC产品应用经理Jacques Lavernhe

除国际厂商外,台湾地区厂商近年在电源管理器件的集成方面亦有可圈可点的表现。立锜科技股份有限公司(Richtek)针对数码相机推出RT9911,这款6信道DC/DC转换器+线性转换器各信道独立可控,其中含三组DC/DC转换器,效率均在95%以上;两组电源转换器分别提供CCD用正负电压;一组LCM背光驱动电路,据称,该产品在关断模式下最大耗电仅1uA。该公司副总经理马代骏介绍道, RT9911交换频率可达1MHz以上,在这个频率下可使用较小的电感值来减低高度及面积,帮助系统研发人员缩短开发时间及成本。据他透露,立锜科技相应的七通道产品将会很快推向市场。此外,该公司还提供3-5通道的产品。

茂达电子股份有限公司(Anpec)推出的电源管理IC APW7075同样提供六组输出,配合MOSFET,可为PMP一次提供DSP、SDRAM内存、CMOS传感器、TFT LCD驱动、LED背光以及硬盘使用。不过,该公司副总裁薛添福认为,高度集成的电源管理IC无法完全满足便携产品的个性化需要,需要进一步增加先进的功能或特点。他表示,除提供成的电源芯片外,茂达还提供各式LDO、MOSFET、Reset IC及音频放大IC,“让客户一次购足所有模拟产品。”

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茂达副总裁薛添福

大屏与多屏显示系统电源需求

除了超低成本的便携产品,彩色显示屏几乎已经成为这类产品的标准配置。2006年,3G一步步迈向实际操作,对于已经承载了游戏、上网、照片浏览等任务的显示系统来说,被业界普遍看好的移动电视无疑是一大新考验,而背光电源管理方案是其中关键。多媒体应用要求使用更大的屏幕,这样就需要更多的LED,较大的屏幕可以从LED的串联配置中受益,因为这种配置可以提供均匀的亮度。在对大屏幕和多屏幕的支持上,诸厂商的角逐正在加剧,支持的LED个数不断增长。

“飞兆为背光照明提供了高效电源。”郭裕亮介绍说,该公司的FAN5606 在驱动 6 个串联白光 LED 时效率高达 90%,并且采用 3mm的微型MLP封装。“这使得整个显示器上的背光保持均匀,完全不浪费能源。”他强调。而TI新推出的TPS61140和TPS61150,是两款新型高效率双输出DC/DC升压转换器,可管理两组白色LED,每组有6个LED。这款产品适合驱动目前翻盖手机中的OLED子屏和LCD主屏的白色LED背光。

Micrel则推出了能驱动多达10个串联LED的MIC2297,该产品集成了一个40V开关、一个过压保护电路,采用体积小巧的2.5×2.5mm MLF10L封装。据该公司介绍,MIC2297还具有亮度控制管脚,可以利用DC电压或PWM信号来控制LED亮度。

特别地,亮度控制作为显示系统的节能措施被多家厂商所关注,Intersil最近推出的易失性数控电位器(包含ISL90460、ISL90461和ISL90462)即可用在手机,PDA和GPS接收器等便携产品中,实现对LCD对比度和背景灯亮度的控制。该公司手持电源产品组的市场经理Andrew Baker还表示,Intersil已开发出周围光线传感器,允许系统根据周围光线情况自动调整显示器亮度,“在不牺牲性能的情况下延长了电池使用时间。”他说。

而凌特公司(Linear)最近推出的LTC3208显然是针对高端便携应用。这款无电感、高电流、软件可配置的多显示器LED控制器,可驱动多达17个LED。它包含一个1A高效率、低噪声充电泵,可以向多达五个显示屏提供电源。该器件效率达95%,采用5x5mmQFN封装。“用户可以获得更长的电池寿命,而且到他们的微控制器只需两线接口。” 该公司电源产品市场经理Tony Armstrong介绍道。

真的需要这么多显示屏吗?――显然有人会问。凌特的解释是:手机具有一个主显示器以用来观看文本、图形或照片,一个副显示器来显示时间、日期或来电号码,一个用作照相机闪光灯或为视频捕捉而置于手电筒模式的白光 LED,以及一个照相机在使用时发出红光的 LED。至于这类“大包大揽”的全能产品前景如何,市场将会给出答案。

3G手机PA模块电源管理挑战

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凌特电源产品市场经理Tony Armstrong

新兴的W-CDMA应用具有高速数据连接(HSDPA),与前代产品相比,提出了一些独特的电源需求。为获得最大数据率,RF PA需要一个4.2V的标称输入电压。而锂离子电池输出电压为3.6V,为了向上述应用供电,就需要升压功能;当手机转为话音模式时,RF PA需要一个较低的电源电压,通常在1V左右。通常不难提供这些电压,但有一个问题,即电源必须能够在25μs的时间内把电压从4.2V变为1V(或者反过来)。当手机从待机模式转变为发射模式或者反过来时,也需要这样快的变换速度。对于电源管理厂商,这又是一个推出新产品的市场商机。

“我们目前已经推出为WCDMA手机应用而优化的同步降压-升压型稳压器LTC3444。”凌特的Armstrong表示。LTC3444可用单节锂离子电池输入,向0.5V至5V的输出提供高达400mA的持续输出电流。其升降压设计使其能用高、低或等于输出电压的输入电压工作。据介绍,该产品1.5MHz的开关频率允许使用纤巧、低成本的陶瓷电容器和电感器。其3x3mm的纤巧DFN封装可为移动电话应用提供一个占板面积紧凑的解决方案。

NSC的答案则是LM320x系列功率放大器开关单元(SuPA)。“SuPA芯片不但可与 LMV228一类的功率检测器搭配一起运作,而且还可为功率放大器提供动态电压调节功能,以便CDMA / WCDMA 手机可在指定的同一输出情况下节省用电。”罗振辉介绍道。

飞兆半导体在PA模组方面拥有一项称为i-LO的专利技术,据郭裕亮解释,与没有使用DC/DC转换器的传统电流节省方法相比,该技术能够将静态电流降低 70% 之多。采用该技术的PA模组如RMPA1963采用 4X4mm 微型MLP封装,“为CDMA、CDMA 1X 或 WCDMA 应用提供了非常高效的解决方案。”郭裕亮表示。

综合利用LDO和DC/DC转换器优势

无论分立还是集成的电源管理方案终将落实到细节的进步上,以达成充分利用电能的目的。在综合利用DC/DC转换器和LDO的优势方面,多家厂商最近有不少新进展。

目前,便携产品需要越来越多的低电压通道,例如,手机中的主电源过去是3.3V的,而新款手机设计采用的则是1.5V。这样做的理由是明显的:多数数字IC的工作电压都是1.5V或者低于1.5V。例如,基带芯片组需要1.375V的电压,而用于视频处理的DSP需要1.2V的电压。伴随多电压管理出现的,是维持最佳效率的要求,这给设计人员提出挑战,促使其重新考虑如何以最有效率和成本效益最高的方式满足要求。

显然,由于空间、效率和成本方面的限制,直接利用负载点DC/DC转换把3.6V的锂离子电池标称输出电压降至上述较低的电压,在“惜电如金”的便携式应用中,显得有些“老套”了。众所周知,在不同应用条件下,LDO和DC/DC各有优劣。前者是线性转换,适合于降压,负载轻时效率高,无EMI问题,优点在于瞬态特性好,缺点是中到高负载时效率低,;后者的优势是升、降压均适用,效率高,但缺点是EMI特性随负载而显著变化,整个负载范围内,都出现高纹波电压。

“一个越来越常见的方法是用DC/DC把输出电压降至中等电压,然后再利用LDO降至所需的低电压,以降低LDO级的总体功耗和提高效率。这提供了中等效率水平,比采用多个DC/DC具有更高的成本效益。” Intersil消费类电源产品部手持产品全球市场经理Mark Richey 阐述道。NSC也在其产品中采用了同样方法,并称之为“后置稳压”。

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Intersil手持产品全球市场经理Mark Richey

在2006年的IIC上,Micrel亦推出综合利用LDO和DC/DC特点的系列新品,被该公司称为“双模式电源” 包括MIC2205,MIC2206以及MIC2285,工作于LDO和PWM两种模式下,响应迅速,可以防止系统误动作或者复位。其中为基带部分供电的MIC2205在基带处理器睡眠时,LDO模式下的静态电流只有18uA,有助于延长待机时间,而在基带处理器唤醒时,自动切换到PWM模式,效率高于90%。因为只需要2.2uF的滤波电容,相比需要86uF滤波电容的单模DC/DC方案,MIC2205在节省空间方面也相当有吸引力。http://tec.bcdi.com.cn据了解,该系列产品已被索爱、NEC以及三星等公司的高端手机所采用。

安森美今年新推出的NCP1526也属于这类产品,“把一个高噪声级开关DC-DC转换器与提供RF或模拟灵敏功能的非常低噪声LDO一起使用,是一个非常大的挑战。除了效率、PSRR、噪声等标准选择条件以外,设计师还须额外注意LDO与DC-DC转换器之间的串扰问题。” Lavernhe表示,输出电压为1.2V的 NCP1526,有超低串扰特点,“这使其非常适合于为灵敏的模拟与RF模块供电,它还具有高速核心处理器所需的瞬态响应。”

也有人认为,所有这些努力都是不必要的,因为采用一个较高容量的电池就没必要使用上述方法。对此,凌特的Amstrong道出了其中原委:消费者希望手机使用较小和较轻的电池,因此多数厂商采用标称600mAH的电池,而提供一个容量较大的电池作为配件。同时,手机在外形尺寸方面存在约束,不能采用任何散热器,“因此在多项功能导致手机功率紧张的情况下,应该优先采用高效率的DC/DC转换。”他说,“当然,这种配件电池比较昂贵、笨重。这种方法将只适用于商业用户比较常用的智能手机或者混合功能手机。”

Armstrong表示,凌特只专注于高性能模拟市场,“我们的产品通常提供高性能特点,可以在所有的系统驱动运行模式下实现高效率的DC/DC转换。”

作者:蔡景艳


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