前言

行动电话已经成为生活中不可或缺的必需品，全球每年需求量甚至超过1.7亿支，不过行动电话设计者已经开始认真检讨行动电话的电源管理问题，尤其是采用GSM（Global System Mobile）通讯系统的2代与2.5代行动电话，要求体积更小、电池使用时间更久的操作特性。

为满足市场需求如何将各种新的多媒体功能塞入有限的空间，并延长电池的使用时间成为非常棘手课题，主要原因是新世代应用微处理器内建各种媒体处理功能，造成行动电话的消费电力大幅增加，而且新世代应用微处理器的影音再生时间非常长，必需使用高效率的影音增幅器才能够将原有的特性充分发挥。

随着行动电话的影音技术成熟，影音的品质与输出成为业者相互竞争重点之一，除此之外如何在有限电力范围内实现以上诉求，更是设计人员在系统设计阶段经常面临的课题。

不过到目前为止几乎所有的解决方案都始终集中终端的数位SoC，事实上类比技术也可以解决问题，有鉴于此本文要以宏观角度，深入探讨行动电话的电源管理技术。

发展定位

为达成行动电话小型化目的，设计人员大多使用PMU（Power Management Unit）使电源设计简洁化，如图一所示，主要原因是即使要求复数电源系统的场合，PMU也能够轻易达成上述要求。

《图一 电力效率超过、低散热量的DC-DC降压转换器内部方块图》

随着多媒体功能的进化，行动电话被要求电力使用效率更高效率化，虽然电力高效率化采用独立的电压稳压器（Regulator）设计非常有效，然而PMU却无法支援专门为多媒体功能开发的应用微处理器的电力要件，加上行动电话的开发周期受到大幅压缩，其结果造成设计人员无法期待PMU的输出能够完全符合设计上的需求，转而利用独立电压稳压器取得终端机器要求的电力，因此压稳器的选择成重要的课题。

整体成本除外，小型、低噪讯、低消费电力是选择电压压稳器主要重点，因此设计人员大多偏好使用具备设计容易、低噪讯、反应快速特性的低衰减输出（Low Drop Out；LDO）压稳器。

LDO压稳器的反面缺点是线性控制上无法避免会产生电力损失与发热问题，因此LDO压稳器通常被应用在输出、入电压非常接近，或是低电力等领域。

终端机器经常使用的锂离子电池，输出电压大约是3～4.2V左右，此时LDO压稳器非常适合提供类此I/O电路要求的3.3V或是3V电压。虽然LDO稳压器称不上很有效率，不过却能够提供稳定的电力给RF段电路（此电路对噪讯非常敏锐）。

随着半导体制程技术的微细化，微处理器的核心（core）电压也随着大幅降低，例如1.8V、1.5V甚至1.2V的SoC已经非常普遍，然而如此低电压反而造成稳压器的输出、入电压差过大、效率降低等副效应。

如果利用LDO稳压器提供如此低的电压给核心，电力损失会导致电池寿命大幅缩减，此外在终端内部散热量暴增，其结果容易引发制品寿命减短。

适合新型微处理器使用的电压稳压器，并不是结构简单、低噪讯的LDO稳压器，而是电力效率超过90％、低散热量的DC-DC降压转换器（Converter），换句话说即使是同步PWM方式降压转换器，或是未使用微制程制作的IC晶片，同样可以同时提供必要的低电压电力与I/O电路要求的高电压。

例如内崁同步整流电路的降压转换器，未使用外部萧特基二极体（Schottky diodes），也能够以最大输出电流600mA，0.9～3V全动作，实现90～96％的电力效率，同步PWM方式唯一缺点，是低负载时效率有恶化倾向。

行动电话的应用微处理器（Operation Processor）大部份时间处于待机模式，此时如果降低动作电力，微处理器会从DC-DC方式进入低负载模式，此时电力效率会急遽降低，严重时电力效率甚至不到90％，为减轻长时间待机模式的消费电力，设计者可能会考虑使用脉冲频率调变（Pulse Frequency Modulation；PFM）方式的转换器，由于这种转换器的切换频率与负载大小呈比例，因此整体的效率非常高。

此外为缩减电源大小，电源厂商曾经尝试将降压转换器的切换频率设定成1～2MHz，此处为验证切换频率的实际效果，利用下列三种转换器进行测试，分别是：

根据测试结果证实频率越高，要求的电感器与电容器的值反而越低，这意味着转换器高频化可以使电子元件小型化，尤其是基板面积受到相当限制的多媒体行动电话，基于抑制被动元件尺寸、成本等考量，更应该使用高切换频率的转换器。

同步降压转换器大多使用3×3mm SOT23-5业界标准封装方式，不过类似晶片等级封装（Chip Scale Package；CSP），或是薄型双排扁平无导架（Dual Flat

No-lead;QFN)封装,同样可以满足行动电话等严苛的尺寸要求。

一般认为DC-DC降压转换器适合提供电力给行动电话的应用微处理器；低噪讯LDO压稳器则适合应用在输入电压2.8～3.3V，对无线射频（Radio Frequency；RF）非常敏锐的类比电路，而且LDO压稳器还能够提高电路密度降低基板面积，因此类似图二整合低噪讯LDO压稳器与DC-DC降压转换器的功率IC越来越受到重视。

《图二 整合低噪讯LDO压稳器，与DC-DC降压转换器的功率IC》

声音再生与EMI的设计

内建携带型多媒体功能的行动电话，它的音响增幅器（Audio Amplifier）会出现两个问题，第一个问题必需提供最少二小时以上连续声音再生，尤其是最近几年音响再生时间的长短，已经成为消费者选择行动电话的主要选项之一。

第二个问题是行动电话的音响品质必须接近家用音响系统,主要原因是消费者强烈要求具备汇流推升(Bus boost)功能、低噪讯、高输出的立体音响。

目前行动电话大多使用AB级的音响增幅器，它可以实现全高频歪斜+噪讯低于0.1％的高品质音响。 AB级增幅器的电源滤杂讯比（Power Supply Rejection Ratio；PSRR）非常高，加上AB级增幅器具有线性特性，因此几乎不会干涉基板上的RF系统。

AB级增幅器的主要缺点是电力效率非常低，不过却广泛应用在车用免持听筒扩音器（Hands Free Speaker），或是短时间、低功力音响等领域。

在携带型媒体论坛MP3已经成为标准功能，再生时间从以往数分钟大幅延长至数小时，其结果造成低电力效率、高发热的AB级音响增幅器无法满足实际需求，新型行动电话逐渐改采D级音响增幅器设计。

一般标准行动电话的音响增幅器额定消费电力大多低于100mW，最大输出电力为700mW，AB级若与D级音响增幅器比较，50mW时D级音响增幅器的电力效率为80％，AB级却只有20％；动作电力为100～5000mW时，D级的电力效率可以维持稳定的85～90％特性，AB却只有30～60％，如图三所示。

《图三 Audio增幅器的效率特性比较》

此外低电力效率、高发热的AB级音响增幅器，无法提供1W以上无饱和、无歪斜输出电力；相较之下D级音响增幅器透过它的切换模式，可以使音响信号高效率增幅提供大输出电力，使大音量的音响再生，例如对8Ω扩音器，它可用低于1％以下全高频歪斜+噪讯，输出最大1.4W的功率。

为产生低频沙​​龙必需使用相当程度的电力，尤其是小面积扩音器的场合，增幅器的电力对重低音的再生具有决定性的影响，它同时也是音乐、游乐器音响重低音能否再生的关键。

MP3播放器大多使用4Ω外置型立体扩音器，此时利用5～5.5V高电压使扩音器动作，不过这种方式必需提供稳定的5V电力给两个D级音响增幅器，因此使用DC -DC升压转换器，如图四所示。

《图四 DC-DC升压转换器电路图》

如上所述D级增幅器利用频率一定的PWM切换模式动作，它对邻近RF电路可能会产生干扰EMI，防止对RF系统的EMI干扰方法有两种，第一种方法是将D级增幅器设置在扩音器附近。立体声应用（stereo application）的场合必需使用两个后级增幅器（Monoral Amplifier），如此一来在终端两侧的两个扩音器附近就能够设置增幅器，不过此时增幅器的输出必需连接铁粉心粒（Ferrite beads）等电磁波干扰滤波器（Electromagnetic Interference Filter；EMI），电磁波干扰滤波器可以将音响输出的高频切换信号传播到RF电路之前完全消除，发挥频通过滤等功能。

结语

以上介绍行动电话的电源管理技术。随着动电话市场极度成熟化，不论是欧美先进国家或是新兴国家，继行动电话之后携带式多媒体机器的普及化运动正如火如荼展开，相关零组件供应厂商莫不觊觎这个全新的市场大饼，并以电源供应厂商也望尘莫及的速度，进行微处理器的功能提升，同时还提供晶片组（Chip Set）相关服务。

在此同时携带式多媒体机器设计者为了满足系统需求之外，必需要在短期能完成新机器的设计，因此被迫采用标准化的独立电源以及音响机器套件，所幸的是新型同步降压转换器的电力效率都很高，而且组装作业非常简易，系统设计者只要巧妙运用，就可以轻易开发低成本、高性能的携带式多媒体机器。

如果采用电力效率都极高的D级音响增幅器，还能够实现长久以来市场要求的长时间音响再生功能。

此外透过D级音响增幅器的普及化，不久的未来MP3、TV、电动游戏不可或缺的沙龙音响将不再是遥不可及的梦想。