雖然現今一般的手機都是GSM/GPRS黑白螢幕或同類型款，然而，手機市場正迅速朝著整合彩色螢幕、相機和個人資訊管理（PIM）裝置的方向發展。舉例來說，預計2006年結合豐富語音和資料功能的智慧型電話的出貨量將大於同年的筆記型電腦，並且遠遠超越單一功能產品的出貨量，如數位相機和PDA。

瞭解這個發展趨勢後，我們幾乎不會懷疑，今天看來異常創新的新興手機和掌上型產品應用，如視訊傳播和高品質數位媒體播放等，將很快成為高階手機的基本功能，甚至市場主流。

本文將討論此類複雜設備所帶來的挑戰，尤其是對於功率管理的挑戰，還會探討新的解決方案和未來發展趨勢。

複雜性增加而開發週期縮短

今天OEM廠商於複雜的市場之中運作，涉及不同的通訊平台（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。

為了使這些應用取得最佳的上市時間，單一平台的參考設計通常依賴於相對固定的核心晶片組，而更靈活的週邊元件則在特定的平台中呈現各個模式的差異性。

《圖一　手機主要功能方塊示意圖》

(圖一)為帶有基頻部分的核心晶片組，包括處理資料的應用MCU、用於語音的DSP、快閃記憶體、RF部分（帶有接收RX和傳送TX區塊），以及功率管理單元 （PMU）部分。

圍繞這個核心晶片組是一系列附加模組，如應用於無線耳機的短距離無線資料傳輸藍芽裝置、相機、LCD模組及其它。這些區塊需要輔助PMU提供額外的功率。

功率管理單元（PMU）

由於PMU支援智慧負載的數量和性能不斷提升，所需的功率管理單元日益精密，能夠提供遠遠超出穩壓、充電和燃料計量等基本的功能。

在精密的手機系統中，PMU可能需要可編程，以便通過協定的軟體實施而成為特定的平臺，並能夠通過串列埠（I2C匯流排或類似匯流排）與主CPU通信。這便是根據負載需求（重型、輕型或中等操作模式）調整功率供給模式，並且承擔許多關鍵功能，例如在通信匯流排失效時設定加電順序（包括啟動順序）。

這種PMU可通過不同程度的整合來實現，或許在開始時可採用多晶片解決方案，以縮短上市時間，然後根據批量和其他考慮進行向上整合，納入單一封裝中（MCP），甚至整合為單晶片。

《圖二　功率管理單元（PMU）》

(圖二)所示為基於微控制器的功率管理架構，提供所有的硬體和軟體功能，如上所述，採用多晶片方式來實現。設定這個單元需要權衡許多因素。鋰離子低壓（典型值3V）電源有助於提高標準CMOS元件的整合度，但如與外部AC變壓器介面的充電器需要整合，這個選擇就會遇到麻煩，在這種情況下，製程技術所需耐受的電壓便遠高於CMOS的標準5V電壓。

某些穩壓器（如為CPU供電的降壓轉換器）需要提供持續升高的功率水平，這在單一CMOS架構的電路板上難以實現。在這種情況下，使用超小型BGA封裝的P溝槽DMOS分離電晶體，將有助於解決問題。最終，如果成本允許使用高光罩數，功能強大的混合信號雙極CMOS-DMOS（BCD）製程可實現真正的單晶片解決方案，以處理電壓電流和柵級數量的複雜性。如圖所示，手機中每個子系統均需本身特定的供電風格；RF部分的低雜訊LDO；以及其他部分的低功耗LDO。還需要使用高效的降壓轉換器，用於高耗能處理器；與LED驅動器相結合的升壓轉換器，用於LED陣列；以及充電時將鋰離子電池與外部交流變壓器相連的線性充電器。

微控制器

如PMU部分所述，微控制器如(圖三)是功能豐富的手機或智慧型電話功率管理單元的基礎。全靜態CMOS結構的低功耗小型元件是專用可編程單晶片，適用於需要高性能的可攜式設備。其核心為8位元微控制器、64位元組RAM、64位元組EEPROM和2/k位元組編碼EEPROM，而晶片內周邊還包括多功能16位元計時器、Mointor和可編程欠壓檢測及重定裝置和時鐘。這種元件具有高整合度，可採用小型SO-8封裝，該區塊並可透過單裸片或共封裝形式，進一步向上整合為更複雜的系統。

《圖三　微控制器架構圖》

使用微控制器為PMU添加智慧功能時需要考慮的另一個重要因素，是電池在工作和待機模式下的損耗。理想的設計可實現極低的待機電流。

處理要求

隨著功能整合趨勢的持續發展，軟體和韌體的開發成為一項越來越複雜的任務。事實上，由於系統趨向於使用更大的顯示器並包含更多功能，如三維遊戲等，手機的處理能力和軟體複雜性促使其架構傾向分散式處理。微處理器可提供更多的價值，從主CPU移除功率管理任務，讓主CPU能進行更多計算密集的任務。

透過微控制器應用「局部智慧」，可以設定不同的複雜性水準，例如最近的「特色電話」趨勢。舉例來說，配有數位相機的手機在今天十分普遍。但由於缺乏閃光裝置，使得相機手機的使用局限於光線明亮的場合。為了解決這個問題，可以加入由LED（發光二極體）構成的閃光電路。閃光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移除到週邊微處理器。這樣的架構除了可簡化主CPU的計算負載外，還能使功率管理最佳化。

微控制器驅動照明系統

(圖四)所示為基於LED的照明系統。一般來說，需要使用四個白光LED組成的陣列實現彩色顯示背光照明，而另一個由四個白光或藍光LED組成的陣列則用於執行鍵盤背光照明。相機閃光所需的白光LED一般為四合一封裝。最後，RGB顯示模組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處理器控制之中。

《圖四　手機照明系統》

(圖五)所示為前面描述的照明系統，系統的所有電路單元均可立刻啟動。（背光和顯示照明的位置很明顯。閃光裝置是頂部的白光部分，而RGB照明位於中間，為微紅色閃光。）

《圖五　照明系統範例》

功耗最小化

功耗最小化的戰爭也漫延到信號通道。可攜式設備廣泛應用的邏輯閘、運算放大器和資料轉換元件等都經過特別設計，以實現低功耗並採用節省空間的封裝。

沒限制的操作

最近的高階手機擁有非常優異的功能，如雙色LCD顯示、相機、視頻和音頻點播。一個800mAh鋰離子電池（相當於3V平均輸出下2.4Wh）可以維持高功率的操作，如遊戲、拍照、錄影和播放等──假設每種操作消耗功率的速度為少於兩小時內1.4W。這種性能因數（FOM）變得越來越好，要歸功於先前所述的功率管理方法，但這距離更基本型手機所需的6～8小時無限制工作要求還差很遠。

目前有望改善這種狀況的技術有兩種，一種是有機（Organic）LED顯示器（OLED），能省去耗能的背光照明。另一種技術是燃料電池，這是能直接從燃料（甲醇）提取電能的電化學元件。燃料電池已可與鋰離子電池連接，如作為沒限制充電器，並會逐步取代鋰離子技術。

另外的替代電源如燃料電池等，將需要更加複雜的功率管理，這會進一步促使局部智慧任務管理的發展，如附加微控制器，其中包括精密的混合信號功能，以實現卓越的監測能力。

搭載OLED顯示器的數位相機已經上市，預計這項技術將在今後3～5年內獲得更廣泛的應用。燃料電池是經驗證的技術，但難以實現小型化，因此在體積能縮小到於手機應用之前，先用於筆記型電腦等較大型設備。使用燃料電池供電或充電的手機原型已有展示，預計將與OLED相同的時間表推出市場。

總結

功率管理技術正不斷改變和發展，以滿足日益複雜的系統需求。這些技術包含傳統的穩壓元件和非傳統的數位功能，如匯流排界面、資料轉換器以及微控制器。

功能豐富的手機或智慧型電話明顯地正在推動各項技術的發展，包括功率，並在未來增添更多的功能。舉例說，可以想像未來將出現一系列即插即用標準的爭論，並可從不同來源混合應用各式附加的周邊設備（相機、GPS模組等），同時講求已有周邊的再使用。在功率管理應用中添加微控制器將成為非常重要的IC方案，為這些平台提供系統功率。

功率管理電子的智慧化趨勢，加上能量儲存和顯示新技術的日漸成熟，定會在可見的未來令功能豐富的手機繼續保持高速發展。

（作者任職於Fairchild快捷半導體）