利用非傳統(tǒng)的理念顯著提高手機(jī)效率

我的一個(gè)客戶是專門設(shè)計(jì)和生產(chǎn)手機(jī)的企業(yè)，這個(gè)行業(yè)的競爭非常激烈，客戶有許多嚴(yán)苛的要求，其一重點(diǎn)是電池壽命；而另一要求是手機(jī)尺寸，這兩者都必須經(jīng)過優(yōu)化，同時(shí)手機(jī)的成本也必須盡量減小。這種要求使設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)中務(wù)必謹(jǐn)慎仔細(xì)，盡量減少組件數(shù)目，并避免過多的耗電。

隨著各種功能不斷增加，手機(jī)已儼然成為一個(gè)處理器的匯總地，幸好，要找到工作電壓為1.8V 的處理器并不困難。我還曾遇到過為帶有三個(gè)相鄰處理器的手機(jī)開發(fā)電源的挑戰(zhàn)，該三個(gè)處理器是用于提供諸如GPS、WLAN和藍(lán)牙之類的功能，而每個(gè)處理器都得單獨(dú)供電，以便在其處于空閑狀態(tài)時(shí)可關(guān)斷模塊。這種設(shè)計(jì)的要求之一是漏電流必須最小，當(dāng)鋰離子電池電壓降到2.9V時(shí)電源必須關(guān)斷鋰離子電池。另一個(gè)要求是盡量減少組件數(shù)目和電路板空間；而最后的要求是把成本降到最低。

這個(gè)客戶采用了一個(gè)專門針對(duì)GSM手機(jī)而設(shè)計(jì)的芯片組。該芯片組的功率管理單元包含了一個(gè)1.8V的降壓調(diào)節(jié)器和一個(gè)2.5V的降壓調(diào)節(jié)器。按照這種組合，最顯而易見的解決方案是以2.5V降壓調(diào)節(jié)器作為電源，每個(gè)負(fù)載使用一個(gè)單獨(dú)的低壓降 (LDO) 調(diào)節(jié)器。由于降壓調(diào)節(jié)器管理線性調(diào)節(jié)器--LDO，因此LDO只需管理負(fù)載電壓調(diào)節(jié)即可。現(xiàn)有許多能夠滿足這種要求的小型調(diào)節(jié)器，比如飛兆半導(dǎo)體公司的FAN2564。該器件的工作電壓為1.8V，電流300mA，而壓降只有180mV，完全能夠提供足夠的裕量(如圖1所示)。

圖1

FAN2564 采用CSP封裝，電路板占位空間非常小，而組件數(shù)目也減至最少，能夠滿足客戶的要求。為了保持穩(wěn)定性，該調(diào)節(jié)器需要一個(gè)4.7uF的輸出電容。這種電容的最小尺寸是 2mmX1.2mm，有利于減小電路板空間。盡管整體耗電量已經(jīng)很低，但還是可以更低的。每一個(gè)調(diào)節(jié)器在線性調(diào)節(jié)中都會(huì)產(chǎn)生功耗，而線性調(diào)節(jié)的總功耗為315mW，相當(dāng)于66% 的總效率。即使在關(guān)斷狀態(tài)，每個(gè)調(diào)節(jié)器的靜態(tài)電流也達(dá)50uA。這樣一來，即使三個(gè)負(fù)載全都處于待機(jī)狀態(tài)，仍有150uA的漏電流產(chǎn)生，可見確實(shí)仍有改進(jìn)的余地。

圖2

由于給負(fù)載供電的是降壓調(diào)節(jié)器，因此不必在每個(gè)負(fù)載上進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，只需分別關(guān)斷對(duì)每個(gè)負(fù)載的供電即可。雖然一個(gè)簡單的開關(guān)就足夠，不過處理器的電源要求相當(dāng)嚴(yán)苛。若出現(xiàn)正或負(fù)的電壓尖峰，處理器可能發(fā)生閂鎖現(xiàn)象。為了避免這種情況，可在電壓源上使用一個(gè)電容來消除電壓尖峰。如果采用簡單的開關(guān)來降低處理器的功耗，在處理器上電時(shí)便需要考慮到這個(gè)電容。在剛開始上電時(shí)，該電容的表現(xiàn)是短路，耗電量很大。這種瞬間短路現(xiàn)象會(huì)降低電源電壓，造成一大問題，因?yàn)殡娫措妷航档蜁?huì)造成線路上其它處理器的復(fù)位。解決辦法是采用一個(gè)智能型負(fù)載開關(guān) (如飛兆半導(dǎo)體的FPF1004) 來控制電流增加的壓擺率。FPF1004器件能夠管理負(fù)載的增加，確保電源線路電壓保持在調(diào)節(jié)范圍內(nèi)。

使用開關(guān)的好處在于提高效率，1.8V降壓調(diào)節(jié)器的效率為86%。FPF1004的功耗主要是由開關(guān)的串聯(lián)電阻產(chǎn)生的。在規(guī)格電流下，總功耗只有3.6mW，亦即0.4% 的損耗，相當(dāng)于約 85% 的電源總效率，相比其它電源，效率提高了29%。

把功耗降至最低需要打破傳統(tǒng)的思維方式。以上述挑戰(zhàn)為例，我們采用非傳統(tǒng)的方法，開發(fā)出一個(gè)可滿足所有要求的電源。相比使用低壓降調(diào)節(jié)器，采用某些智能型負(fù)載開關(guān)可以盡量降低成本和所需的電路板面積。這樣一來，就可以采用1.8V而非2.5V的降壓調(diào)節(jié)器，從而提高電源效率，延長29% 的電池壽命。結(jié)果，這個(gè)客戶將因此在電池壽命、成本和尺寸方面擁有很強(qiáng)的競爭力。