蜂巢式電話的電源管理是積體電路發展最活躍的領域之一。最近，市場出現了一些針對蜂巢式電話應用的電源管理單元(PMU)...
蜂巢式電話的電源管理是積體電路發展最活躍的領域之一。最近，市場出現了一些針對蜂巢式電話應用的電源管理單元(PMU)。手機PMU種類由低整合度(單功能構件)至中等整合度(3至10個整合穩壓器)，以至高整合度型款(整合完整的電源管理和音頻功率放大器等)。有趣的是，一項關於最新推出多種蜂巢式電話的系統性研究顯示，在整合水平方面並無明顯趨勢。不同的業務模式和專屬領域從性能至尺寸以至成本及上市時間—解釋了這個情況。本文將重點探討複雜電源管理單元，以及在這個領域中促使產品成功的功能。
超便攜設備正推進上游整合，這是由於手機的尺寸愈來愈小但性能愈來愈多，如彩色顯示，加上手機與PDA、數位相機、MP3、GPS等相結合。這現象與九十年代初的情形類似，當時硬碟尺寸從3.5"縮小至2.5"，再到1.8"及以下，從而推動了不計成本因素的上游整合。在那種情況下，尺寸的縮小非常重要 (舉例說，如單晶片的價格高於非整合解決方案並不打緊，因為較大型晶片的固有良率較低)。同時，許多電源管理公司在大規模整合電源製程方面 (Bipolar-CMOS-DMOS或BCD)非常落後，因此別無選擇，只得退出市場。
九十年代初硬碟發展情況與今天蜂巢式電話形勢比較的一個重要分別，在於蜂巢式電話的功率和電壓低，所以蜂巢式電話的電源管理IC上游整合無需專門的製程，而可以採用常規的0.35-0.25μm CMOS製程、自行開發的技術，或晶圓代工廠的常用製程來實現。
我們看到無晶圓廠（fab-less）功率半導體公司的出現和參與，這是一個前所未有的業務模式。因此，與硬碟發展的情形相反，在蜂巢式電話的上游整合起步點聚集了許多公司的參與。
蜂巢式電話的電源部分比較簡單，即使包括功率音頻放大器和充電器，這部分主要由一陣列低功率線性穩壓器和放大器構成，其複雜性來自這些功能的管理需要額外的數位區塊整合，如用於串列通信的SMBus、用於正確功率序列的狀態機制和微控制器，以及不會受串擾雜訊干擾，可靠的板載資料轉換裝置。
這類新型電源管理元件的開發需要IP和CAD工具，以及設計技能，這超出了傳統電源開發部門的範疇，進而涉及邏輯、微控制器和資料轉換的團隊。對電源管理功能的額外需求可能成為傳統類比電源公司進入該領域的阻礙，同時成本競爭力也會成為無晶圓廠新興公司必須解決的一個問題。
高度整合的功率管理單元通常是採用高引腳數封裝的複雜元件：現有的元件範圍由48至179引腳。這類單元可以是單晶片式，或者帶有少許外部電晶體，用於大負載功率容量；又或是多晶片封裝(MCP)。單元的複雜性對定制元件有重大影響。因為其定制性質，以下部分將討論一般PMU的架構圖1和基本構件，而不是專注於特定的元件。基於相同原因，我們會通過現有的獨立IC來說明構件。
圖1所示為基於微控制器的一般功率管理單元架構，提供所有的硬體和軟體功能。當定義這個單元時需要考慮許多權衡折衷。一些穩壓器如充電器需要用來提供連續上升的功率水平，這可能難以在單獨的CMOS架構上配置。舉例說，使用外部P通道DMOS分離電晶體，如快捷半導體以超小型BGA封裝的FDZ299P，便有助於解決這個問題。如圖所示，手機中的每個子系統均需要本身特有的功率傳輸特性。例如類似快捷半導體FAN2534的低雜訊LDO適合RF部分，而類似FAN2501低功率LDO則適合其他部分。這個架構也需要有效的降壓轉換器，供耗電的處理器採用，以及適合LED陣列與升壓轉換器相結合的LED驅動器。
微控制器通常是擁有多功能或「智慧型電話」電源管理單元的基礎。如ACE1502(演算法控制單元)系列微控制器，便具有全靜態CMOS架構(圖2所示為裸片，圖3則為架構)。這種低功率小型元件是專用的可編程單片IC，針對要求高性能、低功率和小尺寸的超便攜應用而設。其內核包括一個8位元微處理器、64位元RAM、64位EEPROM和2/k位元編碼EEPROM，晶片內建的周邊則包括多功能16位計時器、監視器和可編程低壓檢測裝置，以及重設裝置和時鐘。
高度整合的特點使得這個IC可採用小型SO8封裝，還可在單晶片上或經由共同封裝形式，向上整合為更複雜的系統。
透過微控制器為PMU添加智慧特性時，另一個需要考慮的重要因素是主動和待機模式的電池放電。理想的設計會提供極低的待機電流。事實上，ACE1502非常適合這類應用。在停機模式下，ACE1502會消耗100納安培電流，對電池壽命的影響可謂微不足道。
隨著趨勢繼續朝著聚合元件發展，軟體和韌體開發成為日益複雜任務。事實上由於系統趨勢向著更大的顯示器和加入更多電話功能，如立體遊戲所需的處理功率和軟體複雜性，驅使電話的架構轉為分散式處理。
微控制器可提供額外的價值是解除主CPU的功率管理任務，使其可處理更多計算密集的任務。藉由微控制器應用「局部智慧」，可以設定不同程度的複雜性。
例如，行動電話內置數位相機在今天非常普遍。但是，由於缺乏閃光裝置，使得行動電話相機的使用局限於光線明亮的場合。為了解決這個問題，可加入由LED(發光二極體)建置的閃光燈單元。
閃光燈的添加需要包括多項功能，如防紅眼和亮度調節，這取決於周圍的亮度和影像目標的距離，以及影像捕捉時與CCD模組的同步。而這些附加功能可輕便地卸載到周邊的微處理器。這樣的架構除了可簡化主CPU的計算負載外，還能最佳化電源管理。
圖4所示為基於LED的複雜照明系統。一般來說，需要使用4個白光LED(如4個FOL216CIW)組成的陣列實現彩色顯示背光照明，而另一個由4個白光或藍光LED(如4個QTLP603CEB)組成的陣列則用於執行鍵盤背光照明。這8個LED可由單個LED驅動器來驅動，如FAN5608。通常使用四方封裝的白光LED(如FOL625CIW)會需要用來進行相機閃光。最後，RGB顯示模組(如QTLP650D-RGB)可提供不同組合的紅、綠和藍閃光，從而產生「有趣的」的閃光效果。如前所述，所有照明條件的序列和延續時間均在微控之中。在圖4，系統所有元件均可即時啟動。這個演示板上的背光和顯示光點位置非常明顯：閃光是頂部的白光，而RGB是在中間發出紅色的閃光。圖5所示為微控制器驅動照明系統產生的典型波形。示波器波形為：
A1 - FLASH LED陰極信號
A2 - 通過8位元PWM信號控制初級背光照明強度
2 - 通過8位元PWM信號控制次級背光照明強度
3 - RGB LED模組：使用4位元PWM信號控制紅光通道
4 - RGB LED模組：使用4位元PWM信號控制綠光通道
5 - RGB LED模組：使用4位元PWM信號控制藍光通道
圖6所示為高效DC至DC降壓轉換器FAN5307的裸片。右邊的大V形部分是整合的P和N通道MOS電晶體，其餘的細線條部分是控制電路。
FAN5307是高效能、低雜訊的同步PWM電流模式和脈衝省略(省電)模式DC-DC轉換器，專為電池供電應用而設計，可在2.5V至5.5V廣泛的輸入電壓範圍內提供高達300mA的輸出電流。輸出電壓可以是內部固定式或外部可調式，並經由外部分壓器在0.7V 至5.5V的廣泛範圍內進行調節，並備有定制的輸出電壓。
在中等和輕負載狀況下，採用脈衝省略調節方式，並使用動態電壓定位，令到輸出電壓高於標準值0.8%，以增加負載瞬變期間的動態裕量。在較高負載狀況下，系統會自動切換至電流模式PWM控制，工作頻率為1 MHz。
電流模式控制環路具有快速瞬變回應功能，確保優良的線路和負載穩定。在省電模式下，靜態電流會降至15 microA，從而得到高效率和延長電池壽命。在關斷模式下，供電電流會降至1 microA以下。該獨立式元件並採用5引腳SOT-23及6引腳3x3mm MLP封裝。圖7為應用範例。
功率MOS電晶體的整合會使外部元件的數量減至最少，同時其高頻運作可允許使用很小值的被動元件。
由於負載比較輕(只有數百mA，相對於重負載計算應用的數百安培)、電壓低(一個鋰離子電源或3.6V典型值)，以及輸入至輸出下降電壓通常也很低，簡單的線性穩壓器在超便攜應用中非常流行。圖8所示為FAN2534低壓降穩壓器(在150mA為180mV)的裸片，是特為超便攜應用而設的先進CMOS設計，具有低功耗、高電源抑制和低雜訊的特點。V形結構部分是P-MOS高邊通路電晶體，而其餘的細線條為控制邏輯。
總而言之，我們討論了複雜PMU在蜂巢式電話的應用，說明在精密應用如手機照明系統中使用微控制器的優勢。我們同時檢討了日益重要的混合信號技術及架構的發展層面，特別著重於三種基本構件：微控制器、降壓轉換器和LDO。這些構件及其它如LED驅動器、充電器和音頻功率放大器等，均可整合於單晶片或多晶片封裝(MCP)中，成為現代化的手機功率管理單元。在這個討論中可以清楚看出，能夠在PMU領域競賽中取得勝利的公司，需要具備最廣泛的技術和能力，可以克服技術障礙，並滿足市場最嚴格的成本要求。而成功的公司必須擁有超便攜系統的知識、功率類比和數位整合經驗，及有大批量產這些晶片的能力。