虽然现今一般的手机都是GSM/GPRS黑白萤幕或同类型款，然而，手机市场正迅速朝着整合彩色萤幕、相机和个人资讯管理（PIM）装置的方向发展。举例来说，预计2006年结合丰富语音和资料功能的智慧型电话的出货量将大于同年的笔记型电脑，并且远远超越单一功能产品的出货量，如数位相机和PDA。

了解这个发展趋势后，我们几乎不会怀疑，今天看来异常创新的新兴手机和掌上型产品应用，如视讯传播和高品质数位媒体播放等，将很快成为高阶手机的基本功能，甚至市场主流。

本文将讨论此类复杂设备所带来的挑战，尤其是对于功率管理的挑战，还会探讨新的解决方案和未来发展趋势。

复杂性增加而开发周期缩短

今天OEM厂商于复杂的市场之中运作，涉及不同的通讯平台（第​​二代或2G平台如GSM、TDMA和CDMA，以及3G平台如W-CDMA和CDMA2000），而且模式各不相同。

为了使这些应用取得最佳的上市时间，单一平台的参考设计通常依赖于相对固定的核心晶片组，而更灵活的周边元件则在特定的平台中呈现各个模式的差异性。

《图一 手机主要功能方块示意图》

(图一)为带有基频部分的核心晶片组，包括处理资料的应用MCU、用于语音的DSP、快闪记忆体、RF部分（带有接收RX和传送TX区块），以及功率管理单元（PMU）部分。

围绕这个核心晶片组是一系列附加模组，如应用于无线耳机的短距离无线资料传输蓝芽装置、相机、LCD模组及其它。这些区块需要辅助PMU提供额外的功率。

功率管理单元（PMU）

由于PMU支援智慧负载的数量和性能不断提升，所需的功率管理单元日益精密，能够提供远远超出稳压、充电和燃料计量等基本的功能。

在精密的手机系统中，PMU可能需要可编程，以便通过协定的软体实施而成为特定的平台，并能够通过串列埠（I2C汇流排或类似汇流排）与主CPU通信。这便是根据负载需求（重型、轻型或中等操作模式）调整功率供给模式，并且承担许多关键功能，例如在通信汇流排失效时设定加电顺序（包括启动顺序）。

这种PMU可通过不同程度的整合来实现，或许在开始时可采用多晶片解决方案，以缩短上市时间，然后根据批量和其他考虑进行向上整合，纳入单一封装中（MCP），甚至整合为单晶片。

《图二 功率管理单元（PMU）》

(图二)所示为基于微控制器的功率管理架构，提供所有的硬体和软体功能，如上所述，采用多晶片方式来实现。设定这个单元需要权衡许多因素。锂离子低压（典型值3V）电源有助于提高标准CMOS元件的整合度，但如与外部AC变压器介面的充电器需要整合，这个选择就会遇到麻烦，在这种情况下，制程技术所需耐受的电压便远高于CMOS的标准5V电压。

某些稳压器（如为CPU供电的降压转换器）需要提供持续升高的功率水平，这在单一CMOS架构的电路板上难以实现。在这种情况下，使用超小型BGA封装的P沟槽DMOS分离电晶体，将有助于解决问题。最终，如果成本允许使用高光罩数，功能强大的混合信号双极CMOS-DMOS（BCD）制程可实现真正的单晶片解决方案，以处理电压电流和栅级数量的复杂性。如图所示，手机中每个子系统均需本身特定的供电风格；RF部分的低杂讯LDO；以及其他部分的低功耗LDO。还需要使用高效的降压转换器，用于高耗能处理器；与LED驱动器相结合的升压转换器，用于LED阵列；以及充电时将锂离子电池与外部交流变压器相连的线性充电器。

微控制器

如PMU部分所述，微控制器如(图三)是功能丰富的手机或智慧型电话功率管理单元的基础。全静态CMOS结构的低功耗小型元件是专用可编程单晶片，适用于需要高性能的可携式设备。其核心为8位元微控制器、64位元组RAM、64位元组EEPROM和2/k位元组编码EEPROM，而晶片内周边还包括多功能16位元计时器、Mointor和可编程欠压检测及重定装置和时钟。这种元件具有高整合度，可采用小型SO-8封装，该区块并可透过单裸片或共封装形式，进一步向上整合为更复杂的系统。

《图三 微控制器架构图》

使用微控制器为PMU添加智慧功能时需要考虑的另一个重要因素，是电池在工作和待机模式下的损耗。理想的设计可实现极低的待机电流。

处理要求

随着功能整合趋势的持续发展，软体和韧体的开发成为一项越来越复杂的任务。事实上，由于系统趋向于使用更大的显示器并包含更多功能，如三维游戏等，手机的处理能力和软体复杂性促使其架构倾向分散式处理。微处理器可提供更多的价值，从主CPU移除功率管理任务，让主CPU能进行更多计算密集的任务。

透过微控制器应用「局部智慧」，可以设定不同的复杂性水准，例如最近的「特色电话」趋势。举例来说，配有数位相机的手机在今天十分普遍。但由于缺乏闪光装置，使得相机手机的使用局限于光线明亮的场合。为了解决这个问题，可以加入由LED（发光二极体）构成的闪光电路。闪光的添加需要包括多项功能，如防红眼和亮度调节，这取决于周围的亮度和影像目标的距离，以及影像捕捉时与CCD模组的同步。而这些附加功能可轻便地移除到周边微处理器。这样的架构除了可简化主CPU的计算负载外，还能使功率管理最佳化。

微控制器驱动照明系统

(图四)所示为基于LED的照明系统。一般来说，需要使用四个白光LED组成的阵列实现彩色显示背光照明，而另一个由四个白光或蓝光LED组成的阵列则用于执行键盘背光照明。相机闪光所需的白光LED一般为四合一封装。最后，RGB显示模组可提供不同组合的红、绿和蓝闪光，从而产生有趣的的闪光效果。如前所述，所有照明条件的序列和延续时间均在微处理器控制之中。

《图四 手机照明系统》

(图五)所示为前面描述的照明系统，系统的所有电路单元均可立刻启动。 （背光和显示照明的位置很明显。闪光装置是顶部的白光部分，而RGB照明位于中间，为微红色闪光。）

《图五 照明系统范例》

功耗最小化

功耗最小化的战争也漫延到信号通道。可携式设备广泛应用的逻辑闸、运算放大器和资料转换元件等都经过特别设计，以实现低功耗并采用节省空间的封装。

没限制的操作

最近的高阶手机拥有非常优异的功能，如双色LCD显示、相机、视频和音频点播。一个800mAh锂离子电池（相当于3V平均输出下2.4Wh）可以维持高功率的操作，如游戏、拍照、录影和播放等──假设每种操作消耗功率的速度为少于两小时内1.4W。这种性能因数（FOM）变得越来越好，要归功于先前所述的功率管理方法，但这距离更基本型手机所需的6～8小时无限制工作要求还差很远。

目前有望改善这种状况的技术有两种，一种是有机（Organic）LED显示器（OLED），能省去耗能的背光照明。另一种技术是燃料电池，这是能直接从燃料（甲醇）提取电能的电化学元件。燃料电池已可与锂离子电池连接，如作为没限制充电器，并会逐步取代锂离子技术。

另外的替代电源如燃料电池等，将需要更加复杂的功率管理，这会进一步促使局部智慧任务管理的发展，如附加微控制器，其中包括精密的混合信号功能，以实现卓越的监测能力。

搭载OLED显示器的数位相机已经上市，预计这项技术将在今后3～5年内获得更广泛的应用。燃料电池是经验证的技术，但难以实现小型化，因此在体积能缩小到于手机应用之前，先用于笔记型电脑等较大型设备。使用燃料电池供电或充电的手机原型已有展示，预计将与OLED相同的时间表推出市场。

总结

功率管理技术正不断改变和发展，以满足日益复杂的系统需求。这些技术包含传统的稳压元件和非传统的数位功能，如汇流排界面、资料转换器以及微控制器。

功能丰富的手机或智慧型电话明显地正在推动各项技术的发展，包括功率，并在未来增添更多的功能。举例说，可以想像未来将出现一系列即插即用标准的争论，并可从不同来源混合应用各式附加的周边设备（相机、GPS模组等），同时讲求已有周边的再使用。在功率管理应用中添加微控制器将成为非常重要的IC方案，为这些平台提供系统功率。

功率管理电子的智慧化趋势，加上能量储存和显示新技术的日渐成熟，定会在可见的未来令功能丰富的手机继续保持高速发展。

（作者任职于Fairchild快捷半导体）