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手机电路设计20问

更新时间:05-25 09:57
作者: 介质陶瓷

  大家好,我是工程师看海,原文来自原创书籍:《硬件设计指南 从器件认知到手机基带设计》

  这个问题本身实际上并不准确,首先,电压和电流是由负载的需求来决定的,比如负载需要的是1.2V的电压,前端电源就不能给他提供3.3V的电;负载需要500mA的电流,前端电源的输出电牛就不能低于500mA,要知道负载是先决条件,电源要根据负载来选择。

  再回到问题本身,从负载的角度而言,低电压、电流的负载功耗当然也低;从电源的角度而言,以LDO电源为例,某负载的需求是,那么LDO的输入、输出电流也是300mA,假如LDO输入是3V,则LDO本身的功耗就是(3-1)*0.3=0.6W,如果降低LDO的输入为1.2V,则LDO本身的功耗就是(1.2-1)*0.3=0.06W,功耗降低为前者的10%,如果负载是屏幕这种常开的类型,0.6W的功耗就会严重减低手机待机时间,此时需要优化电源,降低LDO上的损耗。

  以前粗略地介绍过快放电的原理《电源为何需要加快放电功能!不加行不行?》:。手机里面通常没有对能量进行存储,主要将能量通过mos对地泄放掉,能够理解为通过电阻接地释放掉,但是因为能量很少,所有对发热没什么贡献。但是在其他电子领域,就可能利用电容和一些开关,存储能量。

  我感觉这是个永恒的话题,以前介绍过电容啸叫的原理和解决方案《MLCC电容为何会啸叫?怎么让它闭嘴!》:。这样的一个问题的答案是可以,不管是PWM还是PFM频率都可以,然而从我的经验来看,手机内部的电压PWM频率一般超过听觉范围,如果改频率的话可以从PFM角度切入,但是受限于电压自身特性,频率可能难以避开听觉范围,此时就需要多种缓解方法入手了,比如重新布局电容、重新布局电源等。

  4 基带电路的主要功耗来自于哪一部分的能量损耗?通过什么方法能够降低损耗?

  这个问题有两个考虑的角度,1个是系统一定要使用的功耗,另一个是无用功耗。比如系统待机时,CPU降低主频,关屏幕,关相机等等,此时的功耗是必要功耗,业界都有个大概值,如果超过这个值很可能就是无用功耗,比如问题1中提到的,不合理的电源架构会增加无用功耗。

  软件有问题也会增加无用功耗,手机里有几百个GPIO,基本上每个用到的GPIO都需要对其进行上下电测试,如果这个引脚在待机时本来是需要低电平,但是软件配置成了高电平,甚至产生中间电平,可能会产生1ma无用功耗,如果手机设计厂商经验比较丰富,这1ma的无用功耗在研发时就会发现。另一个角度是热,功耗大会发热,热会限制手机性能,发热也会促进增加电路功耗,夏天的手机就比冬天更热。降低损耗也是个永恒的话题,需要从硬件、软件、材料、热等多个角度考虑,单方面整改效果有限,非常吃经验。

  手机里主要是MLCC陶瓷电容,陶瓷是种压电材料,这样一种材料有个特点,当两端的电压变化时,这个材料就会发生振动,电容就会叫,这是逆压电效应,当电容带着PCB电路板一起振动时,振动的声音就会大。医疗超声设备用到的就是这个原理,比如B超,就可以给陶瓷材料施加交变电压,产生超声波,如果频率在20-20Khz内,就会被人耳听到。

  我个人最大的感受是,手机电路太密了,寸土寸金,10层PCB是基本操作,电脑主板大概是12层。为降低成本,PCB不是任意阶,对过孔种类要求也搞,在这么小的空间内要塞下射频、天线、电源、高速信号、模拟信号、数字电源/地、模拟电源/地是个非常大的挑战。而且对研发、生产周期要求也高,手机动辄几十万、几百万甚至几千万的出货量,对电路可靠性和一致性要求很高,而且对供货等的要求也非常高,电路设计工程师需要在3-4个月内,完成研发、设计、生产所有环节,都是不小的挑战(不加班是根本不可能的)。

  7 手机将来的功耗优化方向?哪些部件入手?优化幅度能做到多少?漏电流 底电流如何要求,多少mA为优秀?

  参考文章《为什么手机续航总不够?功耗优化那些策略你知道多少?》:。关机是uA级别,待机是mA级别。

  特点是方法简单,缺点是电路复杂,软件看的电流不准,往往是多个模块的总电流。

  用程控电源给手机主板供电,供电电压可设为为3.8V-4.2V之间,此时程控单电源显示的电流就是系统电流,这样的解决方法在debug时很好用。

  比如某手机研发时发现待机时间短,用程控电源供电发生系统电流大约几百mA,此时如果拔掉屏幕,待机电流马上掉下来,那么就证明异常功耗大概率和屏幕相关。

  调试时在负载电源线路上串联采样电阻,使用多通道采集卡采集电阻电压,电压除以阻值就是电流。

  循环充一次电,电池使用寿命就少一次,从这个方面来讲,只要充电就会减少电池使用寿命,快充时,电池、手机发热大,电池对热很敏感,快充带来的高热量会降低电池使用寿命,因此非常不建议一边玩手机一边充电。

  这个从系统内和系统外干扰两个角度来考虑,系统外就是EMI,很少会遇到对二者的平衡选择,因为大部分EMI整改方法都是有效的(屏蔽、旁路等),电源会影响到EMI,但是通常不需要电源自身整改。另一个角度是系统内的,手机集成度特别高,在很小的主板下塞下射频、天线、电源、高速信号、模拟信号、数字电源/地、模拟电源/地、是个非常大的挑战,比如电源对相机画质的干扰,参考文章《相机电源受干扰案例分析,极度影响画质!》:。所以没什么权衡,有问题改就对了,不能说有干扰就不用电源了,要根据具体问题产生的原因来具体修改,修改好了其实谁都不可能影响谁的。

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