如何延長多任務(wù)智能手機(jī)設(shè)計的運行時間

作者：Nazzareno （Reno） Rossetti 和 ChiYoung Kim，Maxim Integrated

具有集成圖形處理單元的高性能多核 CPU 已進(jìn)入智能手機(jī)。智能手機(jī)現(xiàn)在具有我們過去期望高端音頻/視頻設(shè)備和臺式電腦具備的功能。如今的智能手機(jī)具備 4K 視頻拍攝、高端游戲、程序多任務(wù)、虛擬現(xiàn)實功能和更高的顯示分辨率。

雖然從用戶的角度來看，這些都是很棒的功能，但它們需要大量的計算，導(dǎo)致系統(tǒng)功耗高，產(chǎn)生大量熱量。為了使這個問題更加復(fù)雜，硬件必須在體積上適合小尺寸，從而難以散發(fā)熱量。本文回顧了一種解決方案，以解決為智能手機(jī)耗電的處理器供電的挑戰(zhàn)。

為降壓轉(zhuǎn)換器提供更多功率相對于上述趨勢，為這些處理器供電的降壓轉(zhuǎn)換器已經(jīng)從提供幾百毫安電流的單相設(shè)備發(fā)展為可以成功提供超過數(shù)十安培電流的多相設(shè)備當(dāng)前的。即便如此，最先進(jìn)的智能手機(jī)通常具有略高于 2，000 mAh 的電池容量。這意味著，如果它消耗一安培的連續(xù)電流，它只會持續(xù)兩個小時，更不用說人們普遍預(yù)期的全天運行了。神奇之處在于嚴(yán)格的功率和熱管理，通過在需要時提供必要的功率峰值并立即退回到低功率運行模式，最大限度地減少浪費的功率并控制溫升。

熱挑戰(zhàn)

例如，在功率脈沖 P = 10 W （10 A x 1 V），如果有足夠的時間，溫度會升高明顯不可接受的量 ΔT = R x P = 50 x 10 = 500°C。然而，如果功率脈沖在時間上受到限制——例如，t = 60 s——那么溫升會受到 RC 常數(shù)的影響，并被限制在更可接受的 ΔT ≈ tx P/C = 60 x 10/ 6 = 100°C。ΔT 的線性近似對于 t 《 RC 和e -t/RC 《《 1 有效。此示例顯示了動態(tài)管理功率的重要性，而不是靜態(tài)管理，通過了解和控制與熱相關(guān)的系統(tǒng)功率曲線隨時間變化常數(shù)。

效率挑戰(zhàn)

因此，具有熱阻 R = 60°C/W 和熱容 C = 4 焦耳/°C 的開關(guān)穩(wěn)壓器 IC，以效率 η = 85% 提供 10-W 功率脈沖，將耗散功率 P = （ 1-η） x P = 0.15 x 10 = 1.5 W。假設(shè)所有損耗都?xì)w因于 IC，如果有足夠的時間，它的溫度將上升到 ΔT = R x P = 60 x 1.5 = 90°C 以上環(huán)境溫度。然而，在 60 秒后，溫度只會上升 ΔT ≈ tx P/C = 60 x 1.5/4 = 22.5°C。

當(dāng)然，效率越高，穩(wěn)壓器的損耗就越低，溫升也就越低。

準(zhǔn)確性的力量

一個電壓調(diào)節(jié)器以 ±1% 的精度向電阻負(fù)載 Rr 提供 +1% 誤差的 0.9V 輸出，將提供 2% 的額外功率 （V 2 /Rr）。這與取效率曲線并將其降低兩個百分點相同！精確度可以節(jié)省電力。

快速瞬態(tài)響應(yīng)的力量

慢速穩(wěn)壓器的輸出將在正瞬態(tài)負(fù)載下下降，并且需要將其放置在更高的位置以確保負(fù)載接收到運行所需的最低電壓。類似的考慮也適用于具有高電壓紋波的穩(wěn)壓器。在這兩種情況下，這都會導(dǎo)致功率浪費和產(chǎn)生更多熱量，最終導(dǎo)致電池壽命縮短。快速瞬態(tài)響應(yīng)和低紋波節(jié)省功耗。

尺寸挑戰(zhàn)

如前所述，必須將大量電量裝入智能手機(jī)的小體積中。因此，降壓轉(zhuǎn)換器必須準(zhǔn)確、快速且高效，以最小化功率損耗。在以高時鐘速率運行時還必須保持效率，以減小無源元件（輸出電感器和輸入/輸出電容器）的尺寸。

四相降壓轉(zhuǎn)換器 MAX77874 16 -A、四相降壓穩(wěn)壓器（圖 2）可用于應(yīng)對上述挑戰(zhàn)。與單相架構(gòu)相比，在一個時鐘周期內(nèi)時間上等距的四個相之間分配電流具有幾個優(yōu)點。

圖 2：MAX77874 四相框圖。

首先，四個交錯相位確保紋波電流消除，如圖3 所示。在相對較低的每相工作頻率下獲得較低的總紋波電流。更低的紋波電流意味著輸出需要更少的電容器，從而減少材料清單 （BOM）。

圖 3：四相輸出電流紋波消除。

其次，多相架構(gòu)需要更少的輸入電容器。圖 4顯示了 在強(qiáng)制脈寬調(diào)制 （PWM） 模式下施加到電感器的 V LXA 至 V LXD電壓波形。這也可以看作是“導(dǎo)通”期間每個電感器在輸入端汲取的電流脈沖的表示。總輸入電流是四個異相電流之和。在這里，與單相操作相比，隨時間擴(kuò)展總輸入電流會降低輸入電流總 RMS 值，從而允許使用更小的輸入電流紋波濾波器。

圖 4：四相 LX 電壓波形。

第三，多相方案比單相方案更有效。后者通過以四倍于四相的頻率運行，也可以實現(xiàn)低紋波，但開關(guān)損耗更高。這兩種方案在一個周期內(nèi)具有相同數(shù)量的轉(zhuǎn)換，但四相轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換承載的電流是單相轉(zhuǎn)換器的四分之一。

MAX77874還提供了多項增強(qiáng)功能，包括自適應(yīng)導(dǎo)通時間控制環(huán)路和快速跳躍模式。

MAX77874具有自適應(yīng)導(dǎo)通時間控制環(huán)路，是流行的、快速響應(yīng)、恒定導(dǎo)通時間控制的增強(qiáng)版本。自適應(yīng)方案會在原本具有可變頻率的方案中產(chǎn)生偽恒定頻率，這在對噪聲敏感的應(yīng)用中可能會出現(xiàn)問題。這種操作模式也稱為強(qiáng)制 PWM （FPWM） 模式。緊湊的 48 凸塊、0.35 毫米間距 WLP 陣列封裝還需要最小的 PCB 面積。

在重負(fù)載瞬態(tài)期間，四相從交錯運行變?yōu)椴⑿羞\行。由于四個電感器電流同時傳送到負(fù)載，因此將四個相并聯(lián)可實現(xiàn)最快的負(fù)載電流階躍響應(yīng)。在圖 5中，降壓轉(zhuǎn)換器在任何負(fù)載下以及從輕負(fù)載到重負(fù)載的過渡期間都以 FPWM 模式運行。

圖 5：FPWM 瞬態(tài)響應(yīng)。

Turbo 跳躍模式結(jié)合了卓越的瞬態(tài)響應(yīng)和輕負(fù)載效率。在輕負(fù)載和啟用時，MAX77874 turbo skip 模式（圖 6）保持所有四個相位按順序運行，但靜態(tài)電流較低且頻率可變。這被稱為旋轉(zhuǎn)相位擴(kuò)展。

圖 6：輕負(fù)載旋轉(zhuǎn)相位擴(kuò)展。

這樣，在從輕負(fù)載到重負(fù)載的過渡期間，激活所有四個相位沒有延遲，并且 MAX77874 的性能與在 FPWM 模式下一樣好（通過比較圖 5 和圖 7 所示）。

圖 7：Turbo 跳躍模式瞬態(tài)響應(yīng)。

與切相（在輕負(fù)載時關(guān)閉四個相位中的一些相位）相比，該方案產(chǎn)生的輸出紋波更少，毛刺也更少。圖 8 顯示，隨著旋轉(zhuǎn)相位擴(kuò)展，輸出電壓紋波在 0 到 500 mA 期間小于 3 mV P-P 。渦輪跳躍模式是輕負(fù)載時的默認(rèn)操作模式。

圖 8：具有相位擴(kuò)展的輸出電壓紋波。

常規(guī)跳躍模式在輕負(fù)載時提供最低的電源電流和最高的效率，但響應(yīng)稍慢。操作模式可以通過 I 2 C 總線進(jìn)行編程。

MAX77874 具有±2.5 mV 的初始輸出精度（1-V 輸出時為±0.25%）和出色的溫度、線路和負(fù)載調(diào)節(jié)性能，具有最佳的輸出精度。圖 9 顯示了初始輸出精度與跳躍、快速跳躍和 FPWM 模式下的設(shè)置。

圖 9：輸出電壓初始精度與設(shè)置的關(guān)系。

此外，MAX77874 集成功率 MOSFET 的增強(qiáng)特性可提供比競爭四相解決方案更高的效率。圖 10中的效率比較 表明，MAX77874 與 2012 年的電感相比，具有高達(dá) 4% 的優(yōu)勢。

圖 10：效率比較。

MAX77874 應(yīng)用放置在 PCB 上時僅需要 37-mm 2 的小面積（圖 11），與競爭解決方案相比，總體尺寸優(yōu)勢為 29%。

圖 11：MAX77874 尺寸優(yōu)勢。

結(jié)論 MAXX77874 非常適合滿足智能手機(jī)設(shè)計中功能日益強(qiáng)大的 CPU 和 GPU 的電源和熱管理要求。它提供業(yè)界領(lǐng)先的瞬態(tài)響應(yīng)、輸出電壓精度和高效率，且 PCB 占位面積很小。

關(guān)于作者

Nazzareno （Reno） Rossetti， Ph.D. Maxim Integrated 的 EE 是一位經(jīng)驗豐富的模擬和電源管理專業(yè)人士，也是一位出版作家，在該領(lǐng)域擁有多項專利。他擁有意大利都靈理工大學(xué)的電氣工程博士學(xué)位。

ChiYoung Kim 是 Maxim Integrated 移動電源業(yè)務(wù)部產(chǎn)品定義和系統(tǒng)工程組的主管。他在電力電子和半導(dǎo)體行業(yè)擁有超過 20 年的經(jīng)驗。ChiYoung 擁有韓國仁荷大學(xué)電氣工程學(xué)士學(xué)位。

審核編輯：郭婷