- 探究高效的智能手機(jī)SD閃存供電方法
- 供電電源的設(shè)計(jì)
- 采用亮度漸高的LED解決方案和尺寸漸小的氙光解決方案
- 采用6MHz開(kāi)關(guān)頻率時(shí)的功耗
手機(jī)對(duì)存儲(chǔ)功能的需求正在迅速增長(zhǎng)，本文探討了存儲(chǔ)器的發(fā)展趨勢(shì)和幾種不同的SD閃存供電方法。
視頻與圖像內(nèi)容的捕獲、顯示與共享功能推動(dòng)著對(duì)存儲(chǔ)器的需求不斷增長(zhǎng)。由于小型相機(jī)光學(xué)技術(shù)、高度集成化圖像處理以及先進(jìn)閃光技術(shù)(采用亮度漸高的LED解決方案和尺寸漸小的氙光解決方案)的出現(xiàn)，捕獲功能正在迅速改進(jìn)。纖薄且高效的觸摸屏LCD、AMOLED以及超AMOLED解決方案，結(jié)合直觀方便的用戶界面，讓圖片和視頻圖像的顯示變得簡(jiǎn)單而生動(dòng)。此外，無(wú)處不在的網(wǎng)絡(luò)連接性、各種社交網(wǎng)絡(luò)以及大量的可下載內(nèi)容源的存在也使得共享功能加速發(fā)展。
這些技術(shù)推動(dòng)手機(jī)制造商設(shè)計(jì)出圖像分辨率為800萬(wàn)像素甚至1,200萬(wàn)像素的相機(jī)手機(jī)。在視頻方面，拍攝性能達(dá)720p@30fps的手機(jī)也開(kāi)始面市。這些都是存儲(chǔ)器密集型應(yīng)用，其內(nèi)容一般存儲(chǔ)在固態(tài)存儲(chǔ)器中。
雖然數(shù)碼相機(jī)歷來(lái)需要很大的存儲(chǔ)容量，但對(duì)手機(jī)而言，這種要求只是在近幾年才變得重要起來(lái)。幸運(yùn)的是，固態(tài)存儲(chǔ)器的密度和容量在逐漸增加，其價(jià)格($/MB)和面積(mm2/MB)隨之大幅降低。從圖1可看出，在2011年，NAND閃存的制造工藝幾何尺寸可能突破25nm。
圖1：NAND閃存技術(shù)的制造工藝幾何尺寸變化趨勢(shì)。
對(duì)于消費(fèi)存儲(chǔ)應(yīng)用，最常見(jiàn)的固態(tài)存儲(chǔ)器格式是SD閃存。目前的SD閃存基于NAND技術(shù)，有三種外形尺寸，如圖2所示，分別為SD 卡、mini SD卡和micro SD卡。盡管這三種外形尺寸產(chǎn)品的體積不同，但它們的接口都一樣。
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除了外形尺寸之外，SD存儲(chǔ)器還可以按照容量大小來(lái)分類。標(biāo)準(zhǔn)SD卡最大可提供2GB的容量，大容量(SDHC) 卡容量在2至32GB，eXtended 容量(SDXC)卡則高至32GB至 2TB。
此外，SD存儲(chǔ)器有兩類時(shí)鐘頻率。在缺省模式，存儲(chǔ)器可以工作在0至25MHz的時(shí)鐘頻率下，接口速度達(dá)12.5MB/s(使用4條并行數(shù)據(jù)線)。在高速模式，存儲(chǔ)器可以工作在0至50MHz的時(shí)鐘頻率下，接口速度達(dá)25MB/s(使用4條并行數(shù)據(jù)線)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以根據(jù)所需的讀寫(xiě)速度來(lái)優(yōu)化這個(gè)參數(shù)，在討論電源考慮事項(xiàng)時(shí)，這一點(diǎn)變得十分重要。
圖2：SD卡、mini SD卡和 micro SD卡的外形大小。
SD規(guī)范2.0版要求工作電壓范圍為2.7至3.6V，2.7V是保證性能所需的最低電壓，工作電壓為2.7V~3.6V都是可接受的，但如果超過(guò)3.6V，則性能無(wú)法保證，而且存儲(chǔ)器有可能受到損害。
電源設(shè)計(jì)的另一個(gè)考慮事項(xiàng)是存儲(chǔ)器的耗電量。存儲(chǔ)器有關(guān)斷、待機(jī)、讀和寫(xiě)四種主要工作模式，處于不同的狀態(tài)，耗電量也不同。對(duì)于一個(gè)給定的存儲(chǔ)卡，讀/寫(xiě)狀態(tài)的耗電量還與讀寫(xiě)速度有關(guān)。普通卡支持最高25MHz的時(shí)鐘頻率，高速卡支持最高50MHz的時(shí)鐘頻率。隨著存儲(chǔ)容量不斷增大，為確保適當(dāng)?shù)南M(fèi)者使用模式，需要更快的時(shí)鐘頻率。
對(duì)于低速工作的小容量SD卡，耗電量常常小于100mA。假設(shè)鋰離子電池的額定工作電壓為3.7V，且存儲(chǔ)器的電源軌相當(dāng)高，則線性調(diào)節(jié)器就成為SD存儲(chǔ)器的電源選擇。不過(guò)，選定的線性調(diào)節(jié)器必須能以低壓降(LDO)方式工作，因?yàn)殇囯x子電池的有效電壓范圍在3.2至4.2V之間。
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隨著8、16和32GB 高速SD卡的面世，300至400mA的耗電量已屢見(jiàn)不鮮，這些電流顯著大于小容量卡的100mA水平。由于這些更大電流需求，LDO電源解決方案的功耗開(kāi)始顯著增加。圖3為一個(gè)給SD卡提供典型2.9V電壓的LDO穩(wěn)壓器，這里選擇2.9V是因?yàn)榧俣↙DO能確保在任何線路、負(fù)載或溫度條件下的輸出不低于2.7V。
圖3：為SD卡提供2.9V電壓的LDO 。
表1列出了圖3所示LDO在300mA和400mA輸出電流情況下的轉(zhuǎn)換效率。計(jì)算出的LDO轉(zhuǎn)換效率為 78%，故功耗分別為240mW和 320mW。
表1： LDO與 6MHz降壓轉(zhuǎn)換器和3MHz降壓轉(zhuǎn)換器的電源效率與功耗對(duì)比。
然而，許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員都認(rèn)為320mW甚至 240mW的功耗都是不可接受的。幸運(yùn)的是，現(xiàn)在可以采用如圖4所示的開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器來(lái)獲得更高的功率轉(zhuǎn)換效率。
圖4：FAN5362降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)2.9V SD卡的供電電路。
按照表1的計(jì)算，對(duì)于300mA的系統(tǒng)，F(xiàn)AN5362能把功耗降至55mW；對(duì)于400mA的系統(tǒng)，F(xiàn)AN5362能將功耗降至101mW。這些效率值根據(jù)所測(cè)得的FAN5362效率曲線而獲得。圖5顯示了AutoPFM(實(shí)線) 和 ForcePWM (虛線)的效率曲線。在優(yōu)化FAN5362效率的同時(shí)，選擇3MHz作為額定開(kāi)關(guān)頻率，因?yàn)樗軌蛱峁┏叽绾托手g的最佳權(quán)衡。從表1可看出，對(duì)于這種功耗敏感應(yīng)用，采用6MHz開(kāi)關(guān)頻率時(shí)的功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采用3MHz開(kāi)關(guān)頻率時(shí)的功耗。
圖5：FAN5362 效率與負(fù)載電流的關(guān)系，AutoPFM為實(shí)線 ， ForcePWM為虛線。
[page]雖然選擇一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器來(lái)取代LDO似乎意義不大，但考慮到降壓轉(zhuǎn)換器必須能在極高占空比下工作，這就變得十分重要了。如果降壓轉(zhuǎn)換器的輸出設(shè)定為2.9V，電池電壓低到3.3V，降壓轉(zhuǎn)換器在88%的占空比下工作。在某些負(fù)載和輸入電壓條件下，降壓轉(zhuǎn)換器甚至?xí)黄韧Ｖ归_(kāi)關(guān)，并在100%占空比下工作。若手機(jī)開(kāi)始發(fā)射GSM脈沖，在低電池電壓(VVBAT)情況下，這種情形會(huì)變得更加嚴(yán)重。GSM脈沖可能高至2A，而且在這些脈沖期間，鋰離子電池的輸出阻抗會(huì)使電池電壓下降400mV。對(duì)LDO而言，
VVBAT的突然下降是有益的，因?yàn)長(zhǎng)DO總是工作在線性區(qū)域。但對(duì)降壓轉(zhuǎn)換器，情況就不同了，因?yàn)樗鼈儽仨氈饾u從開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)?00%導(dǎo)通，一旦電池電壓回到3.3V，就再一次回到開(kāi)關(guān)狀態(tài)。在這個(gè)期間，高側(cè)器件完全導(dǎo)通，降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓僅為VVBAT–RDS(ON) *I – DCR*I，其中RDS(ON)是高側(cè)FET的導(dǎo)通阻抗，DCR是電感的串行阻抗，I是存儲(chǔ)器負(fù)載電流。
FAN5362經(jīng)過(guò)專門(mén)設(shè)計(jì)以處理上述最小過(guò)沖/下沖。此外，F(xiàn)ET的控制機(jī)制和RDS(ON)也經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)，以確保輸出電壓絕不低于2.7V，甚至包括了線路和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。對(duì)存儲(chǔ)器來(lái)說(shuō)，這點(diǎn)至關(guān)重要，因?yàn)镾D規(guī)范2.0版要求工作電壓范圍在2.7至3.6V之間。
雖然工藝幾何尺寸的進(jìn)步滿足了對(duì)超緊湊型、低價(jià)SD存儲(chǔ)器的需求，但這種大容量器件也帶來(lái)了功耗問(wèn)題。利用專門(mén)針對(duì)這類應(yīng)用而設(shè)計(jì)的降壓轉(zhuǎn)換器FAN5362等產(chǎn)品來(lái)替代目前的LDO，可以解決這一難題。圖6是完整的FAN5362功率解決方案的典型原理示意圖和PCB版圖。
圖6：FAN5362的典型原理示意圖及PCB版圖。
