10多年前，当第一代蜂窝电话出现时，采用了许多分立功率器件。第一代手机显得很笨重，高功耗使得待机时间和通话时间都很短。为了响应客户对外形更小，性能更高的无线电子设备不断增长的需求，工程师发展了许多先进的设计技术。这些技术即可缩小印刷电路板（PCB）尺寸，又可以提供更快更高效的性能。
简单专用电源管理单元IC（PMU）的出现使形势有了很大改善。PMU即节约了PCB空间，还降低了总体成本。此类器件最初使用的技术是1.2um互补CMOS、BiMOS技术，或者在有些情况下采用简单的双极技术。在这些早期的设计中，由于晶体管性能差，大电流低压差稳压器（LDO）的传输晶体管（pass transistor）必须放在PMU集成电路外部。与今天更高效的设计相比，这导致稳压特性差以及更大的功耗。
只有在亚微米CMOS工艺成熟以后，低阻抗功率晶体管才能够集成在合理的硅片面积内。集成的数字功能大大增强，可以支持更复杂的状态机。此外，简单的DC/DC变换器，充电器和背光开关也开始集成到PMU中。
由于BiCMOS工艺模拟性能更好一些，因此大多数供应商都采用BiCMOS工艺。缺点是与标准CMOS工艺相比制造成本高得多。做为响应，业界正在努力研究在CMOS设计中采用特殊的设计技巧来获得可与BiCMOS相媲美的性能。
PMU所面临的挑战
对电源管理单元IC的需求不断增强。新的趋势表明，许多目前芯片组中没有集成的功能最终都会集成到PMU中。通常被做为ASIC的这些丰富的PMU使手机制造商可以快速增加特殊的功能，表现出极大的灵活性。更先进的0.35 um/0.25 um技术允许集成高达10万门的复杂数字部件。
由于直接连接到电池，因此面临的一个重要问题是工艺的5V直流兼容性。充满电的锂离子电池电压为4.2V，而大多数稳压开关电源都输出5V DC。对于未来的电源芯片来说，这成为主要的挑战之一，因为最新的0.18um/0.15um CMOS技术最高只能支持3.3V电压。
目前的解决方案
市场上已经出现了高度集成的PMU。其中一种器件采用0.35um CMOS技术制造，并采用热增强的6x6mm 48脚QFN封装。
该器件的特色包括10个可编程高性能线性稳压器、两个高效率DC/DC升压/降压变换器、一个2 X 0.5 W立体声音频功率放大器、一个完全独立于电池化学原理的电池充电器和8个可编程通用I/O，可用于中断、硬件使能和大电流LED供电。
其中集成的LDO提供了无与伦比的稳压特性、能够与最好的分立器件相媲美。典型输出噪声小于30 uV (100 kHz带宽)，允许直接连接超敏感的射频模块，如VCO和参考振荡器。线路和本地稳压性能优于±1 mV（静态）±10 mV（动态）。任何源于电池的噪声在LDO输出都被有效抑制。
特别是TDMA系统会产生较大的电池纹波，因为射频功率放大器（GSM: 217Hz）会周期性地开启和关闭。高达2A的峰值电流和低至0.3欧姆的电池寄生电阻可导致0.6V的纹波。LDO能够将这一噪声与锁定的PLL电路完全隔离。为达到这一模拟性能，LDO设计为两级放大器，有一个高增益低带宽外环和一个嵌套大带宽低增益内环。
图2给出了显示出两个环的简化符号原理图。（硅片上的实现稍有不同并且更为复杂。）动态偏置将电流消耗降低至50uA。内部300mA电流限制在短路时为器件提供了保护。集成的PCH 1Ω 传输晶体管保证了150mA时的压差仅150mV。电阻分压器是可编程的，能够以50mV步长在1.85 VDC至3.4 VDC之间调节。
数字电路对于噪声和稳压特性不那么敏感。因此，数字稳压器设计功耗更低。存储器和基带处理器还需要低至0.8V的供电电压。根据CPU上运行的应用不同，利用动态电压频率调节（DVFS）技术可延长便携式设备的电池寿命。处理器的时钟速率和实际供电电压根据所需要的MIPS性能动态调节。功耗与供电电压之间是平方关系，因此即使电压降低很小也可大大降低功耗。
因此，器件的数字LDO可“即时”在0.74V和2.5VDC之间以50mV步长编程设定。这一特色功能可帮助在电池供电的移动设备上运行复杂应用，同时保持可接受的电池寿命。
为进一步提高效率，一个DC/DC降压变换器被用作数字LDO的预稳压器。这时，LDO的输入电压仅比输出电压高数百mV。DC/DC降压变换器工作在1 MHz，因此可使用小型廉价的外部元器件。只需要一个4.7uH电感和一个4.7uF电容。不需要外部肖特基二极管。利用低电子自旋阻抗（ESR）的线圈在100mA时可达到95%的效率。
手机中一个流行的特色是和弦铃声。用户喜欢听到乐耳的音乐片断，而不是前些代手机简单的蜂鸣音。为做到这一点，需要驱动大功率的小型扬声器。8Ω扬声器所需要的0.5W至1W功率只能由电池供电的音频放大器来提供，而这非常适合集成在PMU中。
显示以及其它需求
越来越多的手机采用需要白色发光二极管做背光的彩色显示屏。白色LED的典型压降为3.5VDC至4.2VDC，因此需要升压变换器。显示屏制造商在显示模块中集成了LED并将其串联连接。三至四个LED需要10V至16VDC供电电压，这一电压通常由一个DC/DC升压变换器提供。输出电压稳压到白色LED的实际压降，以获得最佳效率。
PMU的另一个常见功能是集成电池充电器。电池充电方案有三种：涓流充电、恒定电流充电和恒定电压充电。为满足不同充电算法的要求，所有参数都应当是可编程的。此外，集成式电池“电量计量”功能有助于为用户提供准确线性的电池电量指示。
下一代手机用功率管理芯片
手机器件的典型划分方式包括数字基带处理器、模拟基带、存储器、射频和电源芯片。f
模拟和数字基带器件通常采用CMOS制造，PMU也是如此。利用最新的技术（如0.13um），数字器件的尺寸可缩小一倍（与0.18um技术相比），但模拟器件仅缩小了几个百分点。缩小数字器件尺寸所需要的努力有限，但模拟部分则必须完全重新设计。因此，未来平台最佳的划分方式是将模拟基带和电源管理单元集成到一起。如前所述，集成有大量逻辑门资源的0.25um CMOS模数混合集成技术能够提供更强大的数字逻辑和处理功能。在可能的情况下，所有基带(-(变换器都需要大量的数字预滤波和后滤波处理。
对更长电池寿命的需求将会需要更多DC/DC变换器（如射频功率放大器电源）。对于PMU设计人员来说，将不同的模块，包括高功率开关器件、低噪声模数转换器件，都集成在单块芯片上，将是一个严峻的挑战。仔细地进行平面布局和布线，以及采用独特的片上隔离技术使得设计工程师能够开发出稳定可靠的高度集成的PMU。
