原创 多媒体手机的电源管理分析

手机电视、手机游戏以及音频播放等多媒体应用向手机中的电源管理设计提出了巨大的挑战。手机设计人员需要在加入新的多媒体功能的同时，保持手机小巧的外形并维持电池的长寿命。新应用处理器提供了出色的新功能，但代价是功耗更高。新的AV功能意味着音乐回放时间更长，由此音频放大的效率必需更高，从而延长回放时间。而且，当手机上的AV功能变得更成熟时，音频质量和输出功率的要求也会更高。在本文中，我们讨论了一些解决方案，可以帮助设计人员应对这些与新型多媒体手机电源和音频放大有关的挑战。
新应用处理器的电源

      为了使手机外形小巧，使用集成电源管理单元(PMU)是非常普遍的。PMU的优点是简化了电源设计，而且与使用几个分立元件电源解决方案相比，减小了解决方案的总体尺寸。但是，相反的是，多媒体功能的快速发展增加了独立稳压器的使用。由于新应用处理器增加了多媒体特性，所以现有的PMU不足以满足其日益提高的电源要求。另一方面，手机开发的时间越来越短，使设计人员不能等待PMU的升级。因此，独立稳压器被用于提供新手机所需的额外系统功率。

      除了考虑解决方案的成本因素外，选择独立稳压器最重要的三个标准是(不同设计的优先考虑因素不同)：1. 低噪声：稳压不能产生干扰周围射频系统的噪声或EMI。2. 功耗低：这意味着完全工作时效率高，且在轻载和待机状态下电流小。3. 解决方案尺寸小(大小和高度)：稳压器必需在一个高度低的封装内，而且外部无源元件也要细小。

      同步步降转换器的功耗

      新处理器的理想稳压器是DC/DC步降转换器，其电源效率高(超过90%)，因此对板的散热也较小。图1显示了集成了MPEG-4编解码器的手机平台系统框图。同步步降转换器NCP1521用于提供芯片组的芯核电压和I/O电路的电源电压。内置同步整流器后，此降压转换器不需要外部肖特基二极管，它提供了优异的效率，完全工作时效率范围在90%到96%之间。它提供的可调电压在0.9V和3.3V之间，输出电流高达600mA。

      在手机中，当微处理器长期处于待机状态，转换器进入轻载区域，效率将降到90%以下。为了降低长期待机时的功耗，NCP1521提供了一种解决方案，可以自动从高频PWM转换到脉冲频率模式(PFM)，其开关频率与负载成正比，因此在轻载情况下产生的功耗较小。

      尺寸小的解决方案

      为了减小解决方案总体尺寸，新的降压转换器使用的开关频率在1MHz和2MHz之间。为了展示开关频率的效果，我们采用市场上的1MHz步降转换器，它使用优化的L-C滤波器值：L=10uH，Cout=10uF。对开关频率为1.5MHz的NCP1521，它要求的输出滤波器为：L=2.2uH，Cout=10uF。同样地，振荡频率为3MHz的NCP1522，优化的L-C滤波器值是L=2.2uH，Cout=4.7uF。结果总结如表所示。

 表1：L-C滤波器值与转换器开关频率的比较

      这一比较表明，开关频率越高，所需的电感和输出电容越小，因此解决方案的总体尺寸也越小。在PCB空间高度受限的多媒体手机设计中，建议采用开关频率较高的NCP1522，以减小解决方案尺寸，并降低无源元件的成本。

      引脚尺寸为3x3的SOT23-5是目前同步步降转换器的业内标准封装。但市场上有更小的封装选择(如芯片级和DFN封装)，以满足设计人员进一步降低解决方案尺寸的需求。

      进一步的集成：降压和LDO集成在一个封装中

      从上述内容中，我们已经看到，芯核电压低、功率需求高的新应用处理器最好使用DC-DC降压转换器供电。另一方面，输入电压高达2.8V到3.3V的射频敏感的模拟电路大多数依然由低噪声LDO供电。带降压转换器和低噪声LDO的集成功率集成电路(NCP1526)，为作为欧洲市场数字电视标准的DVB-H或具DMB启动的手机提供了灵活紧凑的解决方案。

      多媒体手机中的音频回放挑战

      便携式多媒体功能向手机中的音频放大提出了两大挑战。首先，多媒体手机需要持续2小时以上的音乐和视频回放；其次，手机上的音频体验将接近家庭音像系统。手机音频回放可以得到清晰、立体和带重低音的强大音频。

      目前主流的手机扬声器由AB类音频放大器驱动。当MP3成为流行应用，且回放时间从几分钟增加到几小时以后，效率低和散热差的AB类放大器再也不能符合要求。因此越来越多的新设计采用了D类音频放大器。

      中等价钱手机的音频放大功耗一般低于100mW。最大输出功率可达500mW。如图2所示，我们可以比较一个典型的AB类和一个D类音频放大器NCP2820。在50mW时，NCP2820的效率为80%，而AB类仅为20%。对于100mW和500mW之间更高的功率工作范围，D类依然提供稳定的85%到90%的效率，但是AB类依然很低，位于30%和60%之间。这清楚地表明，D类放大器的出色效率，有助于延长音频回放时间。

 

图2：AB类和D类音频放大器(NCP2820)的效率

       由于效率低且散热高，AB类放大器不能无饱和或无失真地提供高于1W的输出功率。而D类放大器在开关状态下工作，所以它放大音频信号的效率高，因此可以提供更大的输出功率，以支持大容量音频回放。

      对于NCP2820，它能够为一个8欧姆扬声器提供最高为1.4W的功率，而将THD+N依然保持低于1%。由于扬声器输出响应对低频信号进行衰减，所以额外的功率有助于提升低音声音——这在音乐和游戏音频回放中是重要的。

      对于立体声4欧姆扬声器这种在MP3播放器中常见的附件，输入电压为5V的NCP2820最高可以为每个通道提供2.56W。在这种情况下，建议用5V至5.5V的恒定电压为放大器供电，以确保恒定的大输出功率。DC/DC升压转换器NCP1422提供5V的恒定电压，为立体声应用中的2个D类放大器供电。

      D类放大器设计中的EMI考虑因素

      在恒频PWM开关状态下工作的D类放大器可能产生对同一板上射频工作有干扰的EMI。两项关键技术有助防止EMI干扰射频系统。首先，D类放大器应该放置在非常接近扬声器的地方。在立体声应用中，建议采用2个单声道放大器，使设计人员可以将2个放大器放在手机两端的2个扬声器旁边。除此以外，设计人员也应该在放大器的输出部位连接一个EMI滤波器，如铁氧体磁珠。EMI滤波器作为带通滤波器，可以在开关信号沿着导线传播到射频电路之前将其消除。