然而,，這種功能劇增的代價是功率消耗越來越高。由于電池容量及技術(shù)方面的改進步伐非常緩慢,，工程師面臨兩項主要挑戰(zhàn),。首先，他們必須適應(yīng)這種結(jié)合了許多功能的高集成度,；其次,，他們必須提供長的電池使用時間。

除了功能劇增,，手機用戶的另一項強烈要求在于外形尺寸,。消費者既不希望犧牲電池使用時間，也不希望集成額外功能而影響手機尺寸和外形尺寸,。

為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn),，最佳的策略就是在主芯片組中集成越來越多的功能，從而產(chǎn)生雙芯片或三芯片方案,，并配有集成的電源管理集成電路(PMIC),。PMIC除了為手機供電，還可以集成所需的全部模擬功能,，如電池充電器,、USB OTG收發(fā)器、音頻信號處理及放大,、白光發(fā)光二極管(LED)驅(qū)動器,，以及比較器和用于鍵盤背光的電源驅(qū)動器。這種方法的主要優(yōu)勢是簡化設(shè)計,，將控制電源所需的資源減至最少(僅雙線式I2C總線能夠控制整個電源管理" title="電源管理">電源管理單元),，并將外形尺寸和經(jīng)濟限制保持在可控范圍之內(nèi)。顯而易見，這種方法優(yōu)勢多多,，是應(yīng)對這些挑戰(zhàn)的主要方案,。

然而，盡管PMIC中集成了越來越多的電源功能,，但隨著新一代手機的出現(xiàn),，集成度相對較低的電源轉(zhuǎn)換IC的需求也增加了。

圖,，應(yīng)用處理器電源子系統(tǒng)IC示例

這需求增加的原因非常簡單：僅使用標準方案,，不嘗試與其它產(chǎn)品形成差異化——手機制造商推動手機成為提供標準功能的標準設(shè)備。這對那些對技術(shù)越來越敏感及越來越需要新功能的消費者來說,，真的是不如人意,。這樣一來，手機制造商必須將他們與競爭對手區(qū)分開來,，并利用會吸引消費者喜好的新功能來提供不同之處,。這就是我們所謂的“差異化”。這就驅(qū)使設(shè)計人員增加并未集成在基本芯片組中的特別功能,，而這可能需要額外的應(yīng)用處理器,，并可能需要額外的電源系統(tǒng)。

另外一項能夠解釋這種需求增加趨勢的因素,，是開發(fā)周期時間越來越短,。一方面，市場對新功能的需求推動開發(fā)周期時間越來越快,；但另一方面,，開發(fā)集成這些新功能的新芯片組需要經(jīng)年累月的時間。在當今這個快速變化的市場,，工程師肯定不會坐等新芯片組的上市,，并會選擇獨立IC及應(yīng)用處理器。

下面部分的討論將從電源架構(gòu)系統(tǒng)角度,，展示電源設(shè)計段如何導致不同的架構(gòu)及不同的IC選擇,。

確定“電源域”

確定系統(tǒng)的電源管理方案并不簡單，設(shè)計人員必須留神,，從而提供讓人能夠接受的電池使用時間,。雖然手機集成度越來越高,，功能越來越豐富,，但大多數(shù)功能處于關(guān)閉或休眠模式。實際上,，用戶在觀看電影或電視時,，MP3播放器功能應(yīng)當關(guān)閉。設(shè)計人員通過確定各項功能應(yīng)當何時及為何開啟，就可以定義電源域(power domain),。例如,，用戶使用藍牙語音通信功能時，所有與語音有關(guān)的信號處理都由藍牙模塊來操作,。在這種情況下,，主基帶中的語音處理功能應(yīng)當關(guān)閉。據(jù)此應(yīng)該能夠獲得“藍牙語音通信電源域”定義,、功率需求(應(yīng)該開啟的電源模塊)及功率預(yù)算,。這第一級的規(guī)范將幫助確定手機應(yīng)當設(shè)計多少個電源系統(tǒng)，以及一定程度的功率間隔度,。

根據(jù)應(yīng)用中要求的電源管理水平,，每個電源域可以再劃分為不同的“子電源域”。最后,，這個非常重要的設(shè)計段將幫助確定手機工作需要的是哪些不同及獨立的電源穩(wěn)壓器,。

確定穩(wěn)壓器

跟電源域研究不同，穩(wěn)壓器的確定相當簡單,。設(shè)計人員必須針對前一個電源設(shè)計段中確定的各個功率間隔度,，選擇DC-DC" title="DC-DC">DC-DC轉(zhuǎn)換器或低壓降(LDO)穩(wěn)壓器。

這里的選擇主要由需要供電的穩(wěn)壓器的功能決定?，F(xiàn)在一般的共識是,，為了給高耗電的應(yīng)用處理器供電，工程師除了使用電感型DC-DC轉(zhuǎn)換器之外,，別無選擇,。這類DC-DC轉(zhuǎn)換器具有高于90%的轉(zhuǎn)換效率，以及低散熱,、小尺寸和少外部元件數(shù)量等特性,。但另一方面，射頻及噪聲敏感型功能的模擬電源(Vcc)可能仍需要使用低噪聲的LDO,。

在這個電源設(shè)計段的最后,，設(shè)計人員應(yīng)當確定電源系統(tǒng)應(yīng)該含有多少數(shù)量的獨立電壓軌(voltage rail)、各個穩(wěn)壓器所選擇的類型,，以及電源系統(tǒng)應(yīng)該給負載提供的最大電流,。

確定先進的電源管理功能

處理器內(nèi)核的供電電流會隨著時鐘頻率及電壓而變化。如果忽略直流泄漏電流,，功率耗散近似值由公式PD=CV2f(其中C為各個時鐘周期開關(guān)的電容,，V為電壓，f為頻率)確定,。雖然由于集成芯片并不僅使用CMOS電路的緣故,，這個等式并不是非常精確,，但功率耗散還是隨著電壓的平方及隨著頻率而線性減少。這個簡單的公式可定義動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)和動態(tài)頻率調(diào)節(jié)(DFS)技術(shù),。典型的應(yīng)用處理器電源子系統(tǒng)如圖所示,。

DVS技術(shù)非常有效，然而它需要非常精確的穩(wěn)壓及非常高的穩(wěn)壓精度,，以及從一個電壓電平到另一個電壓電平的平穩(wěn)轉(zhuǎn)換,，需要精度達3%的電源軌來提供良好的DVS性能。

DVS要求片上測量數(shù)字內(nèi)核的電壓負荷,，這種片上測量以PMIC閉環(huán)的方式來使用,，以及調(diào)節(jié)電源電壓。這使數(shù)字內(nèi)核能夠以優(yōu)化的電壓工作,，并將開關(guān)損耗降至最低,。

現(xiàn)在，DVS還不是很普及,，其中一個主要原因是它大幅增加了軟件復(fù)雜度,。因此，設(shè)計復(fù)雜度與電池使用時間之間的權(quán)衡并沒有明顯的方案,。然而,，隨著技術(shù)的進步，芯片上越來越多地嵌入及微編碼了所有必需的測量功能,。這樣一來,，復(fù)雜度就不再阻礙該技術(shù)更廣泛的普及。

支持這種技術(shù)的電源管理IC將越來越專用化,，因為需要根據(jù)它們處理器提供的性能及技術(shù)來設(shè)計這些電源管理IC,。

確定電源管理功能的架構(gòu)

如前所述，手機設(shè)備的主芯片組將會是帶有復(fù)雜電源管理單元(PMU)的高集成度雙芯片或三芯片方案,。但是,，在這個主PMU上，電源管理結(jié)構(gòu)定義期間確定的電源域及電源間隔度,，以及工程師選定的先進電源管理功能,，可能導致選擇不同的電源管理子系統(tǒng)IC，這些IC專門用于各個應(yīng)用處理器,，或由一組應(yīng)用處理器共用,。

這種方法相比高集成度方案的主要優(yōu)勢首先就是為工程師提供高靈活度，能夠及時調(diào)整設(shè)計,，適應(yīng)快速的市場變化及新功能要求,。

除此之外，無法使用GPIO輸入來提供電源管理子系統(tǒng)IC的可編程能力等級,。IC將與處理器串行鏈接,，而鏈接總線可以是SPI,、I2C,，或者更復(fù)雜的MIPI總線,。

結(jié)論

在手機中不可能擺脫使用集成PMIC作為內(nèi)核電源。IC以簡單的設(shè)計結(jié)合高集成度,、高能效方案以及高性價比的功能,。然而，由于靈活性較差,、IC及芯片組的開發(fā)周期時間相對于手機增加功能的需求而言顯得較長,，以及制造商的差異化要求，用于應(yīng)用處理器的小尺寸DC-DC轉(zhuǎn)換器和電源子系統(tǒng)仍然擁有很好的市場前景,。假定供應(yīng)商能夠提供高性價比,、小巧及高能效的方案，設(shè)計人員的選擇就非常多了,。