智能手机怎么才能更加智能？

很明显，智能手机不仅融入了我们的日常商业活动，而且融入了我们的日常生活。过去，智能手机被定义为采用专用操作系统(OS)的蜂窝电话。这意味着智能手机可以增加或安装/删除应用软件，虽然这种定义稍嫌简单了点。今天的智能手机已经成为一个集通信、娱乐和计算功能于一身的小型设备(图1、图2、图3)。


图1：采用微型USB端口的智能手机接口，开创了具有更小外形尺寸的“全能”设备。


图2：智能手机可执行各种通信、计算和娱乐功能。


图3：全球智能手机的出货量持续增加。



客户想要什么？

客户在价格和规格/性能方面的需求很难界定。目前，性能可接受的低中档智能手机的均价约为100美元至150美元，这些手机采用了ARM11 600MHz处理器、部分触摸屏面板/简单的QWERTY键盘和基本的媒体播放器。

高端智能手机将提供全尺寸的电容触摸屏面板、高性能的媒体播放器、高速应用处理器、800万像素以上的数码相机、GPS/AGPS以及用于运动检测的各种传感器。由于配置差异很大，这些智能手机的价格与低中档手机相比范围要宽得多，大约在250美元至350美元之间。

除了硬件考虑外，最终用户还会考虑相应的整合式服务或增值服务(如视频/电影下载、网上数字商店、在线视频游戏、社交网络和移动应用商店)。虽然不会直接增加智能手机的零售价，但这些服务对服务提供商来说非常重要，因为它们对每用户平均收入(ARPU)有很大影响。

由于高端智能手机用户的ARPU值是普通2G/3G手机用户的1.5至2倍，因而提供商一般都为购买高端智能手机的客户提供更有吸引力的补偿计划。目前，四大公司主导着移动应用商店领域，他们是苹果、谷歌、诺基亚和RIM。这些公司所占的市场份额超过了65%。

在性能需求方面，智能手机用户仍然对下载游戏和其他的应用程序表现出一贯的极大兴趣。尽管如此，如果使用低端智能手机的话，并不是所有用户都能完全体会到其中的乐趣，因为这类手机无法满足处理大量最新游戏和应用程序所需的处理器速度和硬件配置。

除了通信、计算和娱乐功能外，设计人员还追求其他应用，如安全/监视控制、移动支付以及使用近场通信(NFC)技术的电子钱包。例如，借助HSDPA/Wi-Fi和高性能计算处理器，智能手机用户可以将室内网络摄像机用作远程安全控制器或婴儿监视器。

智能手机操作系统

2011年底，安卓已经成为最流行的操作系统——2012年该操作系统有望占据49%的智能手机市场(图4)。尽管在2012年，苹果的份额将稍有下降，但在2014年之前，其iOS将仍然保持全球第二的位置。然而，iOS只能用于苹果的iPhone平台，不会发布/许可给其他的手机制造商。


图4：Gartner提供的预测表明，2012年安卓将成为最流行的智能手机操作系统。

基于安卓平台的智能手机的流行有几大因素：

因为安卓是免费的，所以这种操作系统吸引了全球众多制造商的注意，并且许多制造商最初都选用它来设计低成本的智能手机。

与受到大量版权保护的其他操作系统不同，谷歌选择将安卓开放给每个人。因此，该公司吸引了大量的编程人员来开发应用程序，同时也最大程度地减小了责任。由于研究这种系统的人如此之多，所以安卓能够整合更新、更好的想法。

与其他移动操作系统不同，设备制造商可以根据各自的需要自由地修改安卓。用户可以享受到亟需的灵活性和易用性，因为制造商现在可以修改所需的任何内容，来提升用户体验。

安卓支持基于Adobe Flash的网站。

安卓智能手机用户可以轻松地同时运行多个不同任务。随着智能手机逐步替代PC和MAC，未来这种多任务功能将变得越来越重要。

具有挑战性的功能

随着智能手机功能的不断改进，硬件规范要求更大的功耗才能实现目标性能。加大电池容量是满足这种要求的最简单的方法，但这可能导致体积、重量和材料成本的增加。

典型功能手机的电池容量约为600至750mAh，能够支持约350分钟的通话时间和三天的待机时间(图5)。普通智能手机的电池容量在1000至1800mAh的范围内，理应具有更长的通话模式和通话时间，但实际上，其待机时间大约只有一天，通话时间也只有约350分钟。


图5：具有图示典型功能的普通智能手机的电池容量大约为1000mAh至1800mAh。

这种主要差异与智能手机的数据工作模式有关。用户可以访问移动互联网和移动信使，检查/撰写电子邮件等，同时，设备会继续访问服务提供商网络，进行数据交换。因此，进一步增加电池容量变得不切实际，因为这会使得智能手机体积过于庞大，并显得有些不够“智能”。

有鉴于此，在延长智能手机工作时间的同时，保持更小的电池尺寸，成为硬件设计的一个重要考虑因素。在智能手机中，射频功放(RFPA)、LED背光、应用处理器(AP)和Wi-Fi模块的能耗超过了电池功率的75%。提升这些方面的效率，可以显著延长智能手机的工作/待机时间。

在网络上可以很容易地找到降低LED背光功耗和提高AP或Wi-Fi模块DC-DC效率的解决方案。然而，降低RFPA功耗和缩短电池组充电时间的解决方案就不那么容易找到了。

创新功能是智能手机制造商推出新型号的关键激励因素。这些功能应满足用户的“智能”愿望，并最终成为有别于竞争对手的差异化因素。


减少RFPA功耗

智能手机市场见证了许多最新、最先进的硬件设计，比如飞兆半导体公司的FAN5904。这是一种6W、3/6MHz的降压转换器，它支持GSM/EDGE PAM和3G/3.5G RFPA。由于不需要两个单独的降压转换器，因而能够节省空间。

FAN5904能够满足从WCDMA到HSUPA+、CDMA2000 1x EV-DO的全球流行3G无线标准，它还支持中国的3G标准TD-SCDMA以及在TD-SCDMA信号调制方式下支持更高数据速率的HSUPA。FAN5904转换器还能用于新兴的“TEDGE”移动手机。这种手机支持TD-SCDMA，并且后向兼容GSM/EDGE。图6展示了FAN5904是如何连接基带芯片组、射频收发器和功放的。


图6：飞兆FAN5904降压转换器支持基带处理器、射频收发器、3G功放以及GSM/EDGE PAM。

查看具有和不具有用于语音和数据传输的FAN5904的3G功放的输出功率扫描(具有针对-39dBc ACPR的RFPA供电电压设置)可以发现，该转换器可以在使用相同尺寸电池组的条件下，将通话时间和数据传输时间分别延长14%和30%(分别见图7和图8)。这样，智能手机就能使用更小的锂离子电池组，而又不牺牲总体通话时间和数据上载时间(图9)。而更小的电池组又能极大地减小整个手机的体积，使手机变得更薄、更轻和更小。


图7：该图对WCDMA信号调制模式、1000mAh锂离子电池条件下，使用和不使用FAN5904的3G功放的通话时间作了比较。


图8：该图对WCDMA信号调制模式、1000mAh锂离子电池条件下，使用和不使用FAN5904的3G功放的数据传输时间作了比较。


图9：FAN5904转换器在不牺牲通话时间的情况下，允许缩小电池组体积。

实现DC-DC解决方案的另外一个优势是能够极大地降低RFPA壳温。为便于描述，对由FAN5904供电的3G RFPA进行了热成像(图10)，其中，FAN5904直接连接到已充电至4.2V的电池。在使用FAN5904的情况下，RFPA的温度在满输出功率时几乎达不到50℃。但在另外两种情况下，温度很容易达到50℃和65℃。因此，在经过一段时间使用后，整个手机发热会相当快。


图10：这些热量图像显示了在VPA=2.97V时带FAN5904的3G功放(POUT=28dBm)(a)，仅在VBAT=3.70V时的功放(b)，以及仅在VBAT=4.20V时的电池充电期间的功放。

综上所述，DC-DC解决方案不仅有助于降低温度，而且能够简化RFPA的散热结构设计。元器件可以摆放在更靠近RFPA的位置，从而有助于减小PCB的尺寸和降低成本。

缩短锂离子电池充电时间

手机电池通常采用标准USB端口(5V/500mA)和外部充电适配器进行充电。由于智能手机电池组相对较大，在使用传统的线性充电器工作模式时，充电时间会比较长。这种情况可以通过将充电电流增加到1C加以改善，但手机电池必须连接到外部充电适配器(虽然不是用于标准USB端口)。诚然，1C充电模式也会引起充电器IC的散热问题——当外部充电适配器连接到手机时，会造成外壳变得非常地热。因此，设计人员一般需要为散热保留一部分PCB空间。


图11：典型线性充电器的效率约为70%，而开关充电器的效率接近94%。

传统的线性充电器类似于效率可达70%的低压差(LDO)稳压器(图11)；开关充电器则类似于效率可达94%的DC-DC转换器。即使是连接到标准的5V/500mA USB端口，开关稳压器也能支持高达650mA的充电电流。例如，当采用与900mAh电池组相同的配置时，充电时间要花1小时12分钟。总体充电时间缩短了30%，外壳温度则降低到40℃以下(图12)。


图12：使用FAN5400开关充电器可以将充电时间缩短30%。

FAN540x开关稳压器可以用来缩短充电时间，简化散热方面的结构设计。这种开关稳压器具有±5%的高精度输入过流保护(OCP)功能以及±0.5%的充电过压保护(OVP)精度。OVP和可选输入OCP可以为充电电池提供额外保护。

双摄像头分辨率

大多数智能手机都配备有两个摄像头：一个是用于拍照的高分辨率摄像头，一个是用于视频通话的标准分辨率摄像头。两个摄像头共享相同的数据总线和隔离开关，这些数据总线和隔离开关用于在高速分辨率模式下保护信号的完整性。

为了满足上述需要，制造商开发出了不同类型的解决方案。举例来说，飞兆公司的FSA1211低功耗、12端口高速开关，配置为单刀单掷(SPST)器件，为隔离高速源(如手机相机接口)进行了优化(图13)。FSA1211的导通电容(CON)为6pF，其较宽带宽(>720MHz)能够通过三次谐波，从而信号的边沿和相位失真非常小(图14)。另外，通道间的串扰也最大程度地减小了干扰。


图13：FSA1211单刀单掷高速开关可用来隔离高速源。


图14：凭借48MHz下的信号完整性，FSA1211可最大限度地减小边沿和相位失真。

除了使用并行接口，制造商还针对MIPI模块(如相机或LCD显示器)的高速接口使用了移动产业处理器接口(MIPI)。顺着上述思路，飞兆开发出了FSA641和FSA642开关。


FSA641是一种2:1 MIPI开关，主要用于双数据通道和单数据通道的模块(图15)。FSA641配置为单刀双掷(SPDT)开关，针对两个高速或低功耗MIPI源之间的切换进行了优化。这种器件是专门针对MIPI规范设计的，允许连接到CSI或DSI模块。FSA641的CON为8pF，与FSA1211一样，其宽带宽(>720MHz)可以通过三次谐波，从而能够最大限度地减小信号的边沿和相位失真。同样，通道间串扰最大程度地减小了干扰。


图15：飞兆FSA641是一种2:1 MIPI单刀双掷开关，可处理双数据通道和单数据通道模块。

FSA642是一种双向、低功耗、高速率的模拟开关，其引脚输出(pinout)非常方便差分信号布局(图16)。FSA642配置为三刀双掷(TPDT)开关，针对两个MIPI器件(如相机或LCD显示器和板载多媒体应用处理器(MAP))之间的切换进行了优化。


图16：FSA642配置为三刀双掷(TPDT)开关，这种高速模拟开关提供的引脚输出非常方便差分信号布局设计。

单个连接端口

微型USB已被广泛用于各种充电和数据传输设备(图17)。标准化的充电器接口可以复用充电适配器，从而能够降低总体成本，并对环境更加友好。一些手机制造商正在转用微型USB连接器进行充电、音频和数据传输，这个举措同样有助于进一步减小手机体积。


图17：单个5引脚微型USB端口即可管理大量功能。

举例来说，飞兆的FSA9280A就准备用标准的迷你/微型USB连接器代替现有的制造商专用连接器。它能让多个附件和信号(USB数据、立体声和单声道音频、UART数据和充电器检测)共用单个USB端口，从而节省占用空间并提高标准化水平。


图18：FSA9280A支持用标准迷你/微型USB连接器代替现有的制造商专用连接器。