很明顯，智能手機不僅融入了我們的日常商業(yè)活動，而且融入了我們的日常生活。過去，智能手機被定義為采用專用操作系統(tǒng)(OS)的蜂窩電話。這意味著智能手機可以增加或安裝/刪除應用軟件，雖然這種定義稍嫌簡單了點。今天的智能手機已經(jīng)成為一個集通信、娛樂和計算功能于一身的小型設(shè)備(圖1、圖2、圖3)。


圖1：采用微型USB端口的智能手機接口，開創(chuàng)了具有更小外形尺寸的“全能”設(shè)備。


圖2：智能手機可執(zhí)行各種通信、計算和娛樂功能。


圖3：全球智能手機的出貨量持續(xù)增加。

客戶想要什么？

客戶在價格和規(guī)格/性能方面的需求很難界定。目前，性能可接受的低中檔智能手機的均價約為100美元至150美元，這些手機采用了ARM11 600MHz處理器、部分觸摸屏面板/簡單的QWERTY鍵盤和基本的媒體播放器。

高端智能手機將提供全尺寸的電容觸摸屏面板、高性能的媒體播放器、高速應用處理器、800萬像素以上的數(shù)碼相機、GPS/AGPS以及用于運動檢測的各種傳感器。由于配置差異很大，這些智能手機的價格與低中檔手機相比范圍要寬得多，大約在250美元至350美元之間。

除了硬件考慮外，最終用戶還會考慮相應的整合式服務或增值服務(如視頻/電影下載、網(wǎng)上數(shù)字商店、在線視頻游戲、社交網(wǎng)絡(luò)和移動應用商店)。雖然不會直接增加智能手機的零售價，但這些服務對服務提供商來說非常重要，因為它們對每用戶平均收入(ARPU)有很大影響。

由于高端智能手機用戶的ARPU值是普通2G/3G手機用戶的1.5至2倍，因而提供商一般都為購買高端智能手機的客戶提供更有吸引力的補償計劃。目前，四大公司主導著移動應用商店領(lǐng)域，他們是蘋果、谷歌、諾基亞和RIM。這些公司所占的市場份額超過了65%。

在性能需求方面，智能手機用戶仍然對下載游戲和其他的應用程序表現(xiàn)出一貫的極大興趣。盡管如此，如果使用低端智能手機的話，并不是所有用戶都能完全體會到其中的樂趣，因為這類手機無法滿足處理大量最新游戲和應用程序所需的處理器速度和硬件配置。

除了通信、計算和娛樂功能外，設(shè)計人員還追求其他應用，如安全/監(jiān)視控制、移動支付以及使用近場通信(NFC)技術(shù)的電子錢包。例如，借助HSDPA/Wi-Fi和高性能計算處理器，智能手機用戶可以將室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)攝像機用作遠程安全控制器或嬰兒監(jiān)視器。

智能手機操作系統(tǒng)

2011年底，安卓已經(jīng)成為最流行的操作系統(tǒng)——2012年該操作系統(tǒng)有望占據(jù)49%的智能手機市場(圖4)。盡管在2012年，蘋果的份額將稍有下降，但在2014年之前，其iOS將仍然保持全球第二的位置。然而，iOS只能用于蘋果的iPhone平臺，不會發(fā)布/許可給其他的手機制造商。


圖4：Gartner提供的預測表明，2012年安卓將成為最流行的智能手機操作系統(tǒng)。

基于安卓平臺的智能手機的流行有幾大因素：

因為安卓是免費的，所以這種操作系統(tǒng)吸引了全球眾多制造商的注意，并且許多制造商最初都選用它來設(shè)計低成本的智能手機。

與受到大量版權(quán)保護的其他操作系統(tǒng)不同，谷歌選擇將安卓開放給每個人。因此，該公司吸引了大量的編程人員來開發(fā)應用程序，同時也最大程度地減小了責任。由于研究這種系統(tǒng)的人如此之多，所以安卓能夠整合更新、更好的想法。

與其他移動操作系統(tǒng)不同，設(shè)備制造商可以根據(jù)各自的需要自由地修改安卓。用戶可以享受到亟需的靈活性和易用性，因為制造商現(xiàn)在可以修改所需的任何內(nèi)容，來提升用戶體驗。

安卓支持基于Adobe Flash的網(wǎng)站。

安卓智能手機用戶可以輕松地同時運行多個不同任務。隨著智能手機逐步替代PC和MAC，未來這種多任務功能將變得越來越重要。

具有挑戰(zhàn)性的功能

隨著智能手機功能的不斷改進，硬件規(guī)范要求更大的功耗才能實現(xiàn)目標性能。加大電池容量是滿足這種要求的最簡單的方法，但這可能導致體積、重量和材料成本的增加。

典型功能手機的電池容量約為600至750mAh，能夠支持約350分鐘的通話時間和三天的待機時間(圖5)。普通智能手機的電池容量在1000至1800mAh的范圍內(nèi)，理應具有更長的通話模式和通話時間，但實際上，其待機時間大約只有一天，通話時間也只有約350分鐘。


圖5：具有圖示典型功能的普通智能手機的電池容量大約為1000mAh至1800mAh。

這種主要差異與智能手機的數(shù)據(jù)工作模式有關(guān)。用戶可以訪問移動互聯(lián)網(wǎng)和移動信使，檢查/撰寫電子郵件等，同時，設(shè)備會繼續(xù)訪問服務提供商網(wǎng)絡(luò)，進行數(shù)據(jù)交換。因此，進一步增加電池容量變得不切實際，因為這會使得智能手機體積過于龐大，并顯得有些不夠“智能”。

有鑒于此，在延長智能手機工作時間的同時，保持更小的電池尺寸，成為硬件設(shè)計的一個重要考慮因素。在智能手機中，射頻功放(RFPA)、LED背光、應用處理器(AP)和Wi-Fi模塊的能耗超過了電池功率的75%。提升這些方面的效率，可以顯著延長智能手機的工作/待機時間。

在網(wǎng)絡(luò)上可以很容易地找到降低LED背光功耗和提高AP或Wi-Fi模塊DC-DC效率的解決方案。然而，降低RFPA功耗和縮短電池組充電時間的解決方案就不那么容易找到了。

創(chuàng)新功能是智能手機制造商推出新型號的關(guān)鍵激勵因素。這些功能應滿足用戶的“智能”愿望，并最終成為有別于競爭對手的差異化因素。

減少RFPA功耗

智能手機市場見證了許多最新、最先進的硬件設(shè)計，比如飛兆半導體公司的FAN5904。這是一種6W、3/6MHz的降壓轉(zhuǎn)換器，它支持GSM/EDGE PAM和3G/3.5G RFPA。由于不需要兩個單獨的降壓轉(zhuǎn)換器，因而能夠節(jié)省空間。

FAN5904能夠滿足從WCDMA到HSUPA+、CDMA2000 1x EV-DO的全球流行3G無線標準，它還支持中國的3G標準TD-SCDMA以及在TD-SCDMA信號調(diào)制方式下支持更高數(shù)據(jù)速率的HSUPA。FAN5904轉(zhuǎn)換器還能用于新興的“TEDGE”移動手機。這種手機支持TD-SCDMA，并且后向兼容GSM/EDGE。圖6展示了FAN5904是如何連接基帶芯片組、射頻收發(fā)器和功放的。


圖6：飛兆FAN5904降壓轉(zhuǎn)換器支持基帶處理器、射頻收發(fā)器、3G功放以及GSM/EDGE PAM。

查看具有和不具有用于語音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)腇AN5904的3G功放的輸出功率掃描(具有針對-39dBc ACPR的RFPA供電電壓設(shè)置)可以發(fā)現(xiàn)，該轉(zhuǎn)換器可以在使用相同尺寸電池組的條件下，將通話時間和數(shù)據(jù)傳輸時間分別延長14%和30%(分別見圖7和圖8)。這樣，智能手機就能使用更小的鋰離子電池組，而又不犧牲總體通話時間和數(shù)據(jù)上載時間(圖9)。而更小的電池組又能極大地減小整個手機的體積，使手機變得更薄、更輕和更小。


圖7：該圖對WCDMA信號調(diào)制模式、1000mAh鋰離子電池條件下，使用和不使用FAN5904的3G功放的通話時間作了比較。


圖8：該圖對WCDMA信號調(diào)制模式、1000mAh鋰離子電池條件下，使用和不使用FAN5904的3G功放的數(shù)據(jù)傳輸時間作了比較。


圖9：FAN5904轉(zhuǎn)換器在不犧牲通話時間的情況下，允許縮小電池組體積。

實現(xiàn)DC-DC解決方案的另外一個優(yōu)勢是能夠極大地降低RFPA殼溫。為便于描述，對由FAN5904供電的3G RFPA進行了熱成像(圖10)，其中，F(xiàn)AN5904直接連接到已充電至4.2V的電池。在使用FAN5904的情況下，RFPA的溫度在滿輸出功率時幾乎達不到50℃。但在另外兩種情況下，溫度很容易達到50℃和65℃。因此，在經(jīng)過一段時間使用后，整個手機發(fā)熱會相當快。


圖10：這些熱量圖像顯示了在VPA=2.97V時帶FAN5904的3G功放(POUT=28dBm)(a)，僅在VBAT=3.70V時的功放(b)，以及僅在VBAT=4.20V時的電池充電期間的功放。

綜上所述，DC-DC解決方案不僅有助于降低溫度，而且能夠簡化RFPA的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計。元器件可以擺放在更靠近RFPA的位置，從而有助于減小PCB的尺寸和降低成本。

縮短鋰離子電池充電時間

手機電池通常采用標準USB端口(5V/500mA)和外部充電適配器進行充電。由于智能手機電池組相對較大，在使用傳統(tǒng)的線性充電器工作模式時，充電時間會比較長。這種情況可以通過將充電電流增加到1C加以改善，但手機電池必須連接到外部充電適配器(雖然不是用于標準USB端口)。誠然，1C充電模式也會引起充電器IC的散熱問題——當外部充電適配器連接到手機時，會造成外殼變得非常地熱。因此，設(shè)計人員一般需要為散熱保留一部分PCB空間。


圖11：典型線性充電器的效率約為70%，而開關(guān)充電器的效率接近94%。

傳統(tǒng)的線性充電器類似于效率可達70%的低壓差(LDO)穩(wěn)壓器(圖11)；開關(guān)充電器則類似于效率可達94%的DC-DC轉(zhuǎn)換器。即使是連接到標準的5V/500mA USB端口，開關(guān)穩(wěn)壓器也能支持高達650mA的充電電流。例如，當采用與900mAh電池組相同的配置時，充電時間要花1小時12分鐘。總體充電時間縮短了30%，外殼溫度則降低到40℃以下(圖12)。


圖12：使用FAN5400開關(guān)充電器可以將充電時間縮短30%。

FAN540x開關(guān)穩(wěn)壓器可以用來縮短充電時間，簡化散熱方面的結(jié)構(gòu)設(shè)計。這種開關(guān)穩(wěn)壓器具有±5%的高精度輸入過流保護(OCP)功能以及±0.5%的充電過壓保護(OVP)精度。OVP和可選輸入OCP可以為充電電池提供額外保護。

雙攝像頭分辨率

大多數(shù)智能手機都配備有兩個攝像頭：一個是用于拍照的高分辨率攝像頭，一個是用于視頻通話的標準分辨率攝像頭。兩個攝像頭共享相同的數(shù)據(jù)總線和隔離開關(guān)，這些數(shù)據(jù)總線和隔離開關(guān)用于在高速分辨率模式下保護信號的完整性。

為了滿足上述需要，制造商開發(fā)出了不同類型的解決方案。舉例來說，飛兆公司的FSA1211低功耗、12端口高速開關(guān)，配置為單刀單擲(SPST)器件，為隔離高速源(如手機相機接口)進行了優(yōu)化(圖13)。FSA1211的導通電容(CON)為6pF，其較寬帶寬(>720MHz)能夠通過三次諧波，從而信號的邊沿和相位失真非常小(圖14)。另外，通道間的串擾也最大程度地減小了干擾。


圖13：FSA1211單刀單擲高速開關(guān)可用來隔離高速源。


圖14：憑借48MHz下的信號完整性，F(xiàn)SA1211可最大限度地減小邊沿和相位失真。

除了使用并行接口，制造商還針對MIPI模塊(如相機或LCD顯示器)的高速接口使用了移動產(chǎn)業(yè)處理器接口(MIPI)。順著上述思路，飛兆開發(fā)出了FSA641和FSA642開關(guān)。

FSA641是一種2:1 MIPI開關(guān)，主要用于雙數(shù)據(jù)通道和單數(shù)據(jù)通道的模塊(圖15)。FSA641配置為單刀雙擲(SPDT)開關(guān)，針對兩個高速或低功耗MIPI源之間的切換進行了優(yōu)化。這種器件是專門針對MIPI規(guī)范設(shè)計的，允許連接到CSI或DSI模塊。FSA641的CON為8pF，與FSA1211一樣，其寬帶寬(>720MHz)可以通過三次諧波，從而能夠最大限度地減小信號的邊沿和相位失真。同樣，通道間串擾最大程度地減小了干擾。


圖15：飛兆FSA641是一種2:1 MIPI單刀雙擲開關(guān)，可處理雙數(shù)據(jù)通道和單數(shù)據(jù)通道模塊。

FSA642是一種雙向、低功耗、高速率的模擬開關(guān)，其引腳輸出(pinout)非常方便差分信號布局(圖16)。FSA642配置為三刀雙擲(TPDT)開關(guān)，針對兩個MIPI器件(如相機或LCD顯示器和板載多媒體應用處理器(MAP))之間的切換進行了優(yōu)化。


圖16：FSA642配置為三刀雙擲(TPDT)開關(guān)，這種高速模擬開關(guān)提供的引腳輸出非常方便差分信號布局設(shè)計。

單個連接端口

微型USB已被廣泛用于各種充電和數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備(圖17)。標準化的充電器接口可以復用充電適配器，從而能夠降低總體成本，并對環(huán)境更加友好。一些手機制造商正在轉(zhuǎn)用微型USB連接器進行充電、音頻和數(shù)據(jù)傳輸，這個舉措同樣有助于進一步減小手機體積。


圖17：單個5引腳微型USB端口即可管理大量功能。

舉例來說，飛兆的FSA9280A就準備用標準的迷你/微型USB連接器代替現(xiàn)有的制造商專用連接器。它能讓多個附件和信號(USB數(shù)據(jù)、立體聲和單聲道音頻、UART數(shù)據(jù)和充電器檢測)共用單個USB端口，從而節(jié)省占用空間并提高標準化水平。


圖18：FSA9280A支持用標準迷你/微型USB連接器代替現(xiàn)有的制造商專用連接器。