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利用非傳統的理念顯著提高手機效率
 

【作者: Brian Law】   2009年05月05日 星期二

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我的一個客戶是專門設計和生產手機的企業,這個產業的競爭非常激烈,客戶有許多嚴苛的要求,其一重點是電池壽命;而另一要求是手機尺寸,這兩者都必須經過最佳化處理,同時手機的成本也必須儘量減小。這種要求使設計人員在設計中務必謹慎仔細,儘量減少元件數目,並避免過多的耗電。


隨著各種功能不斷增加,手機已儼然成為一個處理器的匯總地,幸好,要找到工作電壓為1.8V的處理器並不困難。我還曾遇到過為帶有三個相鄰處理器的手機開發電源的挑戰,該三個處理器是用於提供諸如GPS、WLAN和藍牙之類的功能,而每個處理器都得單獨供電,以便在其處於空閒狀態時可關斷模組。這種設計的要求之一是耗電量必須最小,當電壓超過4.2V到2.9V範圍時電源必需關斷鋰離子電池。另一個要求是儘量減少元件數目和電路板空間;而最後的要求是把成本降到最低。


這個客戶採用了一個專門針對GSM手機而設計的晶片組。該晶片組的功率管理單元包含了一個1.8V的降壓調節器和一個2.5V的降壓調節器。按照這種組合,最顯而易見的解決方案曾是每個負載使用一個單獨的低壓降(LDO)調節器,以2.5V降壓調節器作為電源。由於降壓調節器專門管理線路電壓調節,因此LDO只需管理負載電壓調節即可。現有許多能夠滿足這種要求的小型調節器,這些元件的工作電壓為1.8V、電流300mA,而壓降只有180mV,完全能夠提供足夠的餘裕,如圖一所示。


《圖一 小型調節器線路範例》
《圖一 小型調節器線路範例》

若採用CSP封裝,則可使電路板佔位空間變得非常小,且元件數目也減至最少,能夠滿足客戶的要求。為了保持穩定性,這樣的調節器需要一個4.7μF的輸出電容。這種電容的最小尺寸是2mm×1.2mm,有利於減小電路板空間。儘管整體耗電量已經很低,但還是可以更低的。每一個調節器在線性調節中都會產生功耗,而線性調節的總功耗為315mW,相當於66%的總效率。即使在關斷狀態,每個調節器的靜態電流也達50μA。這樣一來,即使三個負載全都處於待機狀態,仍有150μA的耗電產生,可見確實仍有改進的餘地。


《圖二 小型調節器線路範例》
《圖二 小型調節器線路範例》

由於給負載供電的是降壓調節器,因此不必在每個負載上進行電壓調節,只需分別關斷對每個負載的供電即可。雖然一個簡單的開關就足夠,不過處理器的電源要求相當嚴苛。若出現正或負的電壓尖峰,處理器可能發生閂鎖現象。為了避免這種情況,可在電壓源上使用一個電容來消除電壓尖峰。如果採用簡單的開關來降低處理器的功耗,在處理器上電時便需要考慮到這個電容。在剛開始上電時,該電容的表現是短路,耗電量很大。這種瞬間短路現象會降低電源電壓,造成一大問題,因為電源電壓降低會造成線路上其它處理器的復位。解決辦法是採用一個智慧型負載開關來控制電流增加的壓擺率。這類元件能夠管理負載的增加,確保電源線路電壓保持在調節範圍內。


使用開關的好處在於提高效率,1.8V降壓調節器的效率為86%。智慧型負載開關的功耗主要是由開關的串聯電阻產生的。例如在指定電流下,總功耗只有3.6mW,亦即0.4%的損耗,相當於約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的思維方式。以上述挑戰為例,我們採用非傳統的方法,開發出一個可滿足所有要求的電源。相比使用低壓降調節器,採用某些智慧型負載開關可以儘量降低成本和所需的電路板面積。這樣一來,就可以採用1.8V而非2.5V的降壓調節器,進而提高電源效率,延長29%的電池壽命。結果是,這個客戶將因此在電池壽命、成本和尺寸方面擁有很強的競爭力。


---作者任職於快捷半導體銷售市場部---


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