智能手機電源管理模塊的設(shè)計

蘆昱昊

摘 要 隨著國民生活質(zhì)量的不斷提高，電子產(chǎn)品更新?lián)Q代的速度也越來越快。通訊產(chǎn)品中的電源動力系統(tǒng)一直是開發(fā)者關(guān)注的重點，也是用戶選擇智能手機的關(guān)鍵選項，因此對智能手機電源管理模塊的設(shè)計分析是十分必要的。

【關(guān)鍵詞】智能手機 電源模塊 設(shè)計管理

手機行業(yè)的發(fā)展變化可謂是日新月異，近年來肉眼可見的黑白屏到彩色屏、僅有通話功能到目前的各種實用應(yīng)用，都是智能手機功能進步的體現(xiàn)。然而這些復(fù)雜功能的實現(xiàn)都是需要穩(wěn)定的電源系統(tǒng)作為支持的，因此開展電源模塊的電壓以及效率設(shè)計管理是為智能手機的良好發(fā)展前景奠定基礎(chǔ)。

1 智能手機電源管理模塊的設(shè)計原則

智能手機的設(shè)計過程是設(shè)計師明確消費者對設(shè)備要求下進行的，因此需要從體積、重量、續(xù)航時間上等多方面進行詳細考慮。智能手機體積的縮小處理是針對系統(tǒng)集中功能和元件封裝技術(shù)的體現(xiàn)，因此需要考慮到減小PCB板后產(chǎn)生的各種影響。在體積和重量都有限制的情況下，提高電池的容量和密度是最佳的創(chuàng)新選擇，同時注重電源系統(tǒng)在工作狀態(tài)下的轉(zhuǎn)化頻率，也是處理續(xù)航時間的主要方案。由此可知，電源管理模塊的轉(zhuǎn)化率和能耗是手機改革重點，手機廠家需要從電能轉(zhuǎn)化的效率和電源的使用效率兩方面提高設(shè)備的科技含量，制造出具備高性價比和滿足消費者需求的優(yōu)勢產(chǎn)品。

2 智能手機電源管理模塊的設(shè)計分析

2.1 PMU

市面上很多電子產(chǎn)品需要根據(jù)實際功能調(diào)節(jié)出不同電壓的電源，也就意味著電池在供電的同時還需要根據(jù)芯片迅速轉(zhuǎn)換電壓，轉(zhuǎn)換期間的功率損耗也應(yīng)當保持在規(guī)定范圍之內(nèi)，同時該電源模塊還需要維持電源的充電安全。這樣的新型電源模塊電路被稱作是電源管理單元，英文縮寫為PMU，是為提高電源轉(zhuǎn)化效率和降低能耗的電源管理方案。PMU的構(gòu)架分為集中式和分布式，但是二者共同存在的幾率很小，設(shè)計者需要在系統(tǒng)劃分之初決定好使用哪種方案。集中式是僅執(zhí)行PMU附近的單一處理器進行電壓調(diào)節(jié)和電源切換工作，而分布式系統(tǒng)則是作用于每一個電源子系統(tǒng)上。二者的選擇重點是從智能手機應(yīng)用的數(shù)量和響應(yīng)速度的要求，同時還要考慮到電源模塊管理過程中的間隔距離。通過比較來看，PMU分布式的方案較集中式的靈活一些，只需要在系統(tǒng)之間加入一根電源軌，作為所有外圍的電源連接線，那么每一個外圍電路都會使用該電源軌完成電源模塊的管理工作。而PMU集中式方案需要預(yù)先了解到外圍連接的區(qū)域，同時還要保障連接組合的實用性和有效應(yīng)，設(shè)計和管理上都較分布式復(fù)雜很多。

2.2 DPM

DPM是智能手機運行期間對時鐘或是電壓進行動態(tài)管理達到提高電源效率的作用，由于該功能和系統(tǒng)運行的狀態(tài)和應(yīng)用開發(fā)密切相關(guān)，因此常常使用軟件來完成DPM的實現(xiàn)。智能手機的工作模式調(diào)節(jié)往往是降低能耗的主要方式，因此DPM與設(shè)備的主CPU密切聯(lián)系，從定義科學合理工作模式的角度提高電源的使用效率。中心管理系統(tǒng)在設(shè)備主頻確定的情況下對工作模式做出了四種設(shè)定，分別是工作模式、空閑模式、休眠模式和關(guān)機模式。根據(jù)對四種狀態(tài)設(shè)備的調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，工作模式中消耗的功率比其他的模式要大得多，因此在用戶沒有對手機進行頻繁操作時進行合理模式的轉(zhuǎn)化，是提高手機電源使用效率的基本原則，同時在用戶使用設(shè)備功能時快速轉(zhuǎn)換工作模式，恢復(fù)正常的使用功能也是提高用戶感受的直接方案。智能手機的運行過程不僅僅要對軟件的運行進行控制，還要從硬件連接的角度降低空閑外設(shè)的啟動頻率。目前智能手機已知可連接的外部硬件系統(tǒng)有攝像機、藍牙系統(tǒng)、紅外適配器、功率放大器、投影系統(tǒng)等等，但是很多功能都是在系統(tǒng)正常運行時處于空閑狀態(tài)的，不能及時關(guān)閉就會形成電源模塊不必要的消耗，影響電源的使用壽命。因此需要DPM開啟設(shè)備主CPU對空閑外設(shè)的進行適時的關(guān)閉，降低電源模塊的能耗提高智能手機的使用效率。

2.3 LDO

LDO是在傳統(tǒng)線性電壓調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上進一步提高的電壓轉(zhuǎn)換的準確性，用來處理對電壓輸入極其嚴格的芯片工作要求。LDO通常使用的電壓傳遞設(shè)備被稱為PNP，該功率晶體管處于飽和狀態(tài)的時候，電壓調(diào)節(jié)器可以處于很低的電壓范圍，而傳統(tǒng)的電壓調(diào)節(jié)器的壓降數(shù)據(jù)為LDO的十倍，很難滿足芯片對于負載降壓的極致要求。因此為適應(yīng)目前大量應(yīng)用的鋰離子電池的較低輸出電壓需求，LDO是較為科學的穩(wěn)壓器選擇之一，該系統(tǒng)對輸出電壓和輸入電壓相近的電源模塊管理有較大優(yōu)勢，即使在電源的能量剩余不多，LDO也能對電壓做出平穩(wěn)的處理，保障其設(shè)備的工作時長。根據(jù)生產(chǎn)技術(shù)的不同，LDO穩(wěn)壓器也分為很多類型，常見的類型有Bipolar、CMOS、BiCMOS等，隨著成本和市場壓力的變化，CMOS成為了目前電子設(shè)備市場的主流產(chǎn)品。LDO從組成上分析是對于電壓調(diào)節(jié)的微型反饋系統(tǒng)，是由二極管、電阻系統(tǒng)、保護系統(tǒng)等一系列功能電路集成的芯片，因此對智能手機的性能、噪聲、PSRR和啟動時間等參數(shù)都有影響作用。在進行智能手機布線時需要從LDO的穩(wěn)定性和響應(yīng)能力進行考慮，還有對音頻部分的干擾和噪聲的輸出，這直接關(guān)系著設(shè)備的外放能力和電源模塊是否干凈，如圖1所示。

3 結(jié)束語

綜上所述，智能手機電源管理模塊的設(shè)計方案多種多樣，但是基本的原則都是提高電能的轉(zhuǎn)化率和使用率達到高性能的目的。便攜式電子產(chǎn)品的使用在近年來越來越普及，在管理系統(tǒng)一致的情況下優(yōu)化電源管理模塊的設(shè)計則會成為企業(yè)提高市場競爭力的重要抉擇。

參考文獻

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作者單位

華為技術(shù)有限公司 廣東省深圳市 518000