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延長手機電池使用時間的FAN5902方案
文章來源: 更新時間:2012/6/13 13:20:00
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電池沒電或者經(jīng)常需要充電,哪一種更令人煩惱?現(xiàn)今手機(特別是智能型手機)在世界各地迅速普及,一周七天,一天二十四小時,人們隨時都保持著聯(lián)機 的狀態(tài)。消費者似乎總是沒完沒了地進行語音通話、收發(fā)電子郵件、發(fā)送短信和上網(wǎng),永不知足。可是所有這些手機功能都會消耗電池電量,眨眼之間,電池就只剩 下一格電量了。如何才能延長手機的使用時間呢?當(dāng)然,理論上只要使用較大的電池就能解決問題,但是用戶總是希望手機越輕巧、越纖薄、越光滑越好,所以增大電池這個選擇是用戶所不能接受的。設(shè)計工程師不斷研發(fā)提高功率管理性能的方法,并把焦點集中在對功耗影響最大的三個部份。在手機中,除基帶處理器和射頻收發(fā)器之外,最能消耗電量的三個部份分別是功率放大器(PA)、顯示屏幕和應(yīng)用/圖像處理器。為什么這三個部份會成為焦點呢?原因在于:現(xiàn)在人們往往同時通話和上網(wǎng),這時,顯示屏幕總是處于開啟狀態(tài);此外,PA必須一直工作,以便向基站發(fā)射語音通話和數(shù)據(jù);最后,要觀看網(wǎng)絡(luò)影片或進行其它應(yīng)用,應(yīng)用處理器也 必須保持運行。

 

3G網(wǎng)絡(luò)的PA在信號較弱時的功耗尤其大,因為它需要更大的輸出功率才能連接到基站,并保持線性度要求以確保3G信號的不失真。3G PA的耗電量與輸出功率有關(guān),輸出功率越大,電池中的電流也就消耗的越多。當(dāng)發(fā)射信號需要更大的輸出功率,則消耗更多的電流。目前市面上有兩種可降低PA 耗電量的新技術(shù):DC-DC轉(zhuǎn)換器和包絡(luò)跟蹤 (envelope tracking)。DC-DC轉(zhuǎn)換器在智能型手機中的運用日益廣泛,它的工作原理是把3G PA的電源電壓步降至既能夠滿足所需輸出功率級要求、同時又能大大降低耗電量的級別。采用這種解決方案可帶來雙重好處――第一是延長通話/使用時間,第二 則是減少散熱。飛兆半導(dǎo)體的FAN5902就是專門針對3G PA而設(shè)計的一款附有旁路模式的800mA、6MHz 降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器,可以降低功耗,延長連接/通話時間。

 

FAN5902與基帶處理器和3G PA協(xié)同工作以降低耗電量。基帶處理器會根據(jù)它從基站接收到的信息來設(shè)定PA的輸出功率等級,然后再將之轉(zhuǎn)換為FAN5902的控制電壓,輸出給PA。借 著動態(tài)地調(diào)節(jié)PA的電源電壓和電流,F(xiàn)AN5902能夠延長至少15%的手機通話和數(shù)據(jù)使用時間。圖1所示為DG09功率分布函數(shù)下獨立式3G PA 和采用FAN5902 的 3G PA 之間的性能比較。表1總結(jié)了不同條件下的性能。

 


 

 

圖1:在采用 WCDMA信號調(diào)制和1000mAh鋰離子電池的條件下,使用有FAN5902 和不使用FAN5902 的3G PA的通話時間分析。

功率分布函數(shù)是DG09,參見GSMA的“電池壽命測量技術(shù),v4.7”白皮書。

 


 

表1

 

除了延長通話時間之外,采用DC-DC轉(zhuǎn)換器的解決方案還有助于降低散熱量,從而可避免手機或USB 適配器(Dongle)/數(shù)據(jù)卡過熱。圖2所示為使用FAN5902和不使用FAN5902的3G PA的熱量分布圖。

 


 

 

圖2: POUT = 28dBm時的3G PA熱量分析: (a) 帶 FAN5902,VPA = 2.97V,

(b) 只有PA,VBAT = 3.70V ,(c) 只有 PA,電池充電期間 VBAT = 4.20V

顯示屏幕是在PA之后的第二大主要耗電部件,因為使用者無論是查詢或搜尋聯(lián)絡(luò)信息、上網(wǎng)瀏覽、閱讀電子郵件還是觀賞移動電視/ YouTube?影片,顯示屏幕總是處于開啟的狀態(tài)。TFT LCD是目前主要的顯示技術(shù),而它需要白光LED來提供背光。這種趨勢在尺寸較大的LCD顯示屏幕市場比較明顯,故意味著需要較多的白光LED來為顯示屏 幕提供有效的背光,也就意味著需要為LED和顯示屏幕本身提供更大的電流。在高端手機和智能型手機中,同時采用動態(tài)背光控制(dynamic backlight control, DBC)和自動調(diào)光功能(auto luminous control, ALC)不僅可以使耗電量盡量減小,還能提升用戶的視覺體驗。ALC需要采用一個環(huán)境光傳感器(ambient light sensor)來檢測周圍環(huán)境的光強度,并根據(jù)程序在LED驅(qū)動器或應(yīng)用處理器中的算法來設(shè)定LED電流。

 

因此,LED電流會根據(jù)照明條件來設(shè)定。當(dāng)四周環(huán)境很暗時,LED電流被設(shè)定為低,而陽光直射時就設(shè)定為最大。另一方面,DBC技術(shù)可根據(jù)顯示屏幕上的圖 像/影片內(nèi)容來調(diào)節(jié)LED電流:若影片中某個場景的內(nèi)容比較昏暗,這時LED電流也較低;若場景較明亮,則反之。DBC根據(jù)圖像處理器或LCD驅(qū)動器IC 發(fā)出的脈寬調(diào)制(PWM)信號對電流進行編程,并隨顯示的影片內(nèi)容的變化而不斷改變。圖 3(a)所示為飛兆半導(dǎo)體通過屏幕獲取軟件程序得到的ALC和DBC工作情況,用來展示環(huán)境光亮度級別(左圖)和相應(yīng)的LED電流。雖然不能充分說明,但 由外部PWM 的“藍色顯示棒”仍可看出DBC的作用,靜態(tài)PWM級則隨著圖像或影片內(nèi)容升高或降低。飛兆半導(dǎo)體評測工具套件的ALC和DBC展示圖見圖3(b)。

 


圖3: (a) 沒有采用ALC 和 DBC的屏幕顯示 (b) 采用ALC和DBC功能的屏幕顯示

 

飛兆半導(dǎo)體的FAN5702 是帶I2C接口的180mA 電荷泵LED驅(qū)動器,可經(jīng)由配置來提供ALC 和 DBC功能。環(huán)境光傳感器與應(yīng)用處理器或基帶處理器連接,接收輸入并根據(jù)外部照明條件的算法來確定適合的LED電流水平。這個數(shù)據(jù)經(jīng)由I2C接口發(fā)送給 FAN5702,再根據(jù)資料來設(shè)定LED電流。FAN5702的PWM/EN接腳針對PWM工作而編程,且與LCD 驅(qū)動器 IC連接,后者根據(jù)顯示屏幕上的圖像/影片內(nèi)容把PWM信號發(fā)送給FAN5702。圖4所示為同時采用了ALC 和 DBC的FAN5702的系統(tǒng)模塊示意圖。手機顯示屏幕采用ALC 和 DBC將有助于節(jié)省多達50%的功耗。

 

 

圖4:具有ALC 和 DBC功能的FAN5702的系統(tǒng)模塊示意圖。

第三大主要功耗部件是應(yīng)用/圖像處理器;如果顯示屏幕是開啟的,則該芯片組將全面運行。不過,它也并非總是一直處于滿功率運行狀態(tài)。例如,當(dāng)芯片組以較低 功率水平運行時,可以采用動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)(DVS)。這是一種非常適合于手機及其它便攜式電子產(chǎn)品的解決方案,因為其電源電壓可被調(diào)降至更低的核心電 壓,并可以讓芯片組在較低頻率頻率下工作, 從而有助于降低耗電量。這一點可由下列的方程式來說明:

 


這里,功率(P)與頻率頻率(f)和核心電壓(V)的平方之乘積成正比。因此,處理器的頻率頻率越快,功耗越大。而隨著核心電壓減少,功耗會以平方的速度降低。

 

應(yīng)用處理器可以采用FAN5365來供電, FAN5365是一款附帶 I2C接口的 6MHz、 800mA/1A 步降式 DC-DC 轉(zhuǎn)換器,能夠提供最佳省電效果。I2C接口可用來以12.5mV的步長在0.75V 到 1.975V的范圍內(nèi)對電壓進行動態(tài)編程,以滿足芯片組的處理能力要求。當(dāng)使用者觀賞網(wǎng)上的影片時,F(xiàn)AN5365能夠為應(yīng)用處理器提供1.2V的核心電 壓,以獲得最大的處理能力,而一旦影片短片結(jié)束,電壓就會降至0.8V,進入較低電平工作狀態(tài)。

 

目前有多種簡單或復(fù)雜的技術(shù),可以提高手機(尤其是智能型手機)的整體功率管理性能。通過在手機中整合分別針對PA、顯示屏幕和處理器核心的一種或所有三 種功率管理解決方案,就能夠大幅地節(jié)省能源,延長手機工作時間。這些設(shè)計都是從手機的用戶體驗和需求出發(fā),因為用戶真正關(guān)心的是,不要在關(guān)鍵時刻出現(xiàn)手機 沒電的尷尬局面,以及不必頻繁地為手機充電。

 
 
 
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