很明顯，智能手機(jī)不僅融入了我們的日常商業(yè)活動(dòng)，而且融入了我們的日常生活。過去，智能手機(jī)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(jī)可以增加或安裝/刪除應(yīng)用軟件，雖然這種定義稍嫌簡(jiǎn)單了點(diǎn)。今天的智能手機(jī)已經(jīng)成為一個(gè)集通信、娛樂和計(jì)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(jī)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(jī)可執(zhí)行各種通信、計(jì)算和娛樂功能。


圖3：全球智能手機(jī)的出貨量持續(xù)增加。

客戶想要什么？

客戶在價(jià)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(jī)的均價(jià)約為100美元至150美元，這些手機(jī)采用了ARM11 600MHz處理器、部分觸摸屏面板/簡(jiǎn)單的QWERTY鍵盤和基本的媒體播放器。

高端智能手機(jī)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(yīng)用處理器、800萬像素以上的數(shù)碼相機(jī)、GPS/AGPS以及用于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的各種傳感器。由于配置差異很大，這些智能手機(jī)的價(jià)格與低中檔手機(jī)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(huì)考慮相應(yīng)的整合式服務(wù)或增值服務(wù)(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(dòng)應(yīng)用商店)。雖然不會(huì)直接增加智能手機(jī)的零售價(jià)，但這些服務(wù)對(duì)服務(wù)提供商來說非常重要，因?yàn)樗鼈儗?duì)每用戶平均收入(ARPU)有很大影響。

由于高端智能手機(jī)用戶的ARPU值是普通2G/3G手機(jī)用戶的1.5至2倍，因而提供商一般都為購(gòu)買高端智能手機(jī)的客戶提供更有吸引力的補(bǔ)償計(jì)劃。目前，四大公司主導(dǎo)著移動(dòng)應(yīng)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(chǎng)份額超過了65%。

在性能需求方面，智能手機(jī)用戶仍然對(duì)下載游戲和其他的應(yīng)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(jī)的話，并不是所有用戶都能完全體會(huì)到其中的樂趣，因?yàn)檫@類手機(jī)無法滿足處理大量最新游戲和應(yīng)用程序所需的處理器速度和硬件配置。

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

智能手機(jī)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(jī)市場(chǎng)(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(tái)，不會(huì)發(fā)布/許可給其他的手機(jī)制造商。


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

基于安卓平臺(tái)的智能手機(jī)的流行有幾大因素：

因?yàn)榘沧渴敲赓M(fèi)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(jì)低成本的智能手機(jī)。

與受到大量版權(quán)保護(hù)的其他操作系統(tǒng)不同，谷歌選擇將安卓開放給每個(gè)人。因此，該公司吸引了大量的編程人員來開發(fā)應(yīng)用程序，同時(shí)也最大程度地減小了責(zé)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(dòng)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?yàn)橹圃焐态F(xiàn)在可以修改所需的任何內(nèi)容，來提升用戶體驗(yàn)。

安卓支持基于Adobe Flash的網(wǎng)站。

安卓智能手機(jī)用戶可以輕松地同時(shí)運(yùn)行多個(gè)不同任務(wù)。隨著智能手機(jī)逐步替代PC和MAC，未來這種多任務(wù)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(jī)功能的不斷改進(jìn)，硬件規(guī)范要求更大的功耗才能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)性能。加大電池容量是滿足這種要求的最簡(jiǎn)單的方法，但這可能導(dǎo)致體積、重量和材料成本的增加。

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

這種主要差異與智能手機(jī)的數(shù)據(jù)工作模式有關(guān)。用戶可以訪問移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)信使，檢查/撰寫電子郵件等，同時(shí)，設(shè)備會(huì)繼續(xù)訪問服務(wù)提供商網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。因此，進(jìn)一步增加電池容量變得不切實(shí)際，因?yàn)檫@會(huì)使得智能手機(jī)體積過于龐大，并顯得有些不夠“智能”。

有鑒于此，在延長(zhǎng)智能手機(jī)工作時(shí)間的同時(shí)，保持更小的電池尺寸，成為硬件設(shè)計(jì)的一個(gè)重要考慮因素。在智能手機(jī)中，射頻功放(RFPA)、LED背光、應(yīng)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(zhǎng)智能手機(jī)的工作/待機(jī)時(shí)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(shí)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(jī)制造商推出新型號(hào)的關(guān)鍵激勵(lì)因素。這些功能應(yīng)滿足用戶的“智能”愿望，并最終成為有別于競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的差異化因素。

減少RFPA功耗

智能手機(jī)市場(chǎng)見證了許多最新、最先進(jìn)的硬件設(shè)計(jì)，比如飛兆半導(dǎo)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(gè)單獨(dú)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(biāo)準(zhǔn)，它還支持中國(guó)的3G標(biāo)準(zhǔn)TD-SCDMA以及在TD-SCDMA信號(hào)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(dòng)手機(jī)。這種手機(jī)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(yǔ)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(duì)-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(shí)間和數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間分別延長(zhǎng)14%和30%(分別見圖7和圖8)。這樣，智能手機(jī)就能使用更小的鋰離子電池組，而又不犧牲總體通話時(shí)間和數(shù)據(jù)上載時(shí)間(圖9)。而更小的電池組又能極大地減小整個(gè)手機(jī)的體積，使手機(jī)變得更薄、更輕和更小。


圖7：該圖對(duì)WCDMA信號(hào)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(shí)間作了比較。


圖8：該圖對(duì)WCDMA信號(hào)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(shí)間作了比較。


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

實(shí)現(xiàn)DC-DC解決方案的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是能夠極大地降低RFPA殼溫。為便于描述，對(duì)由FAN5904供電的3G RFPA進(jìn)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(shí)幾乎達(dá)不到50℃。但在另外兩種情況下，溫度很容易達(dá)到50℃和65℃。因此，在經(jīng)過一段時(shí)間使用后，整個(gè)手機(jī)發(fā)熱會(huì)相當(dāng)快。


圖10：這些熱量圖像顯示了在VPA=2.97V時(shí)帶FAN5904的3G功放(POUT=28dBm)(a)，僅在VBAT=3.70V時(shí)的功放(b)，以及僅在VBAT=4.20V時(shí)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(jiǎn)化RFPA的散熱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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(shí)間

手機(jī)電池通常采用標(biāo)準(zhǔn)USB端口(5V/500mA)和外部充電適配器進(jìn)行充電。由于智能手機(jī)電池組相對(duì)較大，在使用傳統(tǒng)的線性充電器工作模式時(shí)，充電時(shí)間會(huì)比較長(zhǎng)。這種情況可以通過將充電電流增加到1C加以改善，但手機(jī)電池必須連接到外部充電適配器(雖然不是用于標(biāo)準(zhǔn)USB端口)。誠(chéng)然，1C充電模式也會(huì)引起充電器IC的散熱問題——當(dāng)外部充電適配器連接到手機(jī)時(shí)，會(huì)造成外殼變得非常地?zé)?。因此，設(shè)計(jì)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(dá)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(dá)94%的DC-DC轉(zhuǎn)換器。即使是連接到標(biāo)準(zhǔn)的5V/500mA USB端口，開關(guān)穩(wěn)壓器也能支持高達(dá)650mA的充電電流。例如，當(dāng)采用與900mAh電池組相同的配置時(shí)，充電時(shí)間要花1小時(shí)12分鐘?？傮w充電時(shí)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(shí)間縮短30%。

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

雙攝像頭分辨率

大多數(shù)智能手機(jī)都配備有兩個(gè)攝像頭：一個(gè)是用于拍照的高分辨率攝像頭，一個(gè)是用于視頻通話的標(biāo)準(zhǔn)分辨率攝像頭。兩個(gè)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(hù)信號(hào)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(jī)相機(jī)接口)進(jìn)行了優(yōu)化(圖13)。FSA1211的導(dǎo)通電容(CON)為6pF，其較寬帶寬(>720MHz)能夠通過三次諧波，從而信號(hào)的邊沿和相位失真非常小(圖14)。另外，通道間的串?dāng)_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(hào)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(duì)MIPI模塊(如相機(jī)或LCD顯示器)的高速接口使用了移動(dòng)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(duì)兩個(gè)高速或低功耗MIPI源之間的切換進(jìn)行了優(yōu)化。這種器件是專門針對(duì)MIPI規(guī)范設(shè)計(jì)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(hào)的邊沿和相位失真。同樣，通道間串?dāng)_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(hào)布局(圖16)。FSA642配置為三刀雙擲(TPDT)開關(guān)，針對(duì)兩個(gè)MIPI器件(如相機(jī)或LCD顯示器和板載多媒體應(yīng)用處理器(MAP))之間的切換進(jìn)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(hào)布局設(shè)計(jì)。

單個(gè)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(biāo)準(zhǔn)化的充電器接口可以復(fù)用充電適配器，從而能夠降低總體成本，并對(duì)環(huán)境更加友好。一些手機(jī)制造商正在轉(zhuǎn)用微型USB連接器進(jìn)行充電、音頻和數(shù)據(jù)傳輸，這個(gè)舉措同樣有助于進(jìn)一步減小手機(jī)體積。


圖17：?jiǎn)蝹€(gè)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(zhǔn)備用標(biāo)準(zhǔn)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(gè)附件和信號(hào)(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(cè))共用單個(gè)USB端口，從而節(jié)省占用空間并提高標(biāo)準(zhǔn)化水平。


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