智能手机待机功耗挑战及策略

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 在智能手机、平板电脑、数码相机等消费电子产品中,待机功耗一直是一个关键设计难点。此外,这些产品需要无缝的功率管理和电池开关,以便提供更好的灵活性和电池可靠性。飞兆半导体推出的IntelliMAX智能负载开关能够有效降低待机功耗,实现防止浪涌电流、过流保护等功能,帮助设计人员降低设计复杂性,同时达到更高的系统效率和可靠性。

  据悉,IntelliMAX智能负载开关产品组合具有防止浪涌电流的压摆率控制、过流限制和热关断保护、反向电流阻断和低运作输入电压等特性,能够处理众多带有多信道配置和高电压与电流负载的应用。IntelliMAX系列的扩展产品利用单芯片解决方案解决了轻工业应用的动态功率难题,使得设计人员拥有通过现货产品满足设计需求的能力,减少了组件数目并且提高了效率。

    传统的负载开关采用2到3个MOS管加上电阻和电容来实现。但现在的手持设备如智能手机中,电池容量已经满足不了应用需求,因此外围部分需要进行优化。飞兆半导体移动、计算、消费和通信市场营销暨应用工程部高级市场推广业务经理李文辉解释说,智能手机中除了主芯片之外还有很多外围设备,如摄像头、触摸板、Wi-Fi模块、GPS、蓝牙模块等,这些功能大部分时间处于待机状态。IntelliMAX智能负载开关的一个重要优势就在于可以降低待机功耗。他透露,“国内某款著名品牌的智能手机采用了IntelliMAX智能负载开关以后,待机时间从之前的一天提高到了3天。”

  除了降低待机功耗,集成式负载开关的好处还包括采用压摆率控制,可减小浪涌电流的影响(手机中摄像头和Wi-Fi的负载较大,启动设备时的浪涌电流会影响系统稳定);过流保护;实现系统上电排序。和传统负载开关采用CMOS工艺实现不同,IntelliMAX智能负载开关采用飞兆BiCMOS工艺制造,可以支持很低的工作电压,且静态电流低于1uA。

  

  图2:IntelliMAX智能负载开关FPF1039和FPF1048。

  FPF1039和FPF1048开关适用于需要大电流能力和低导通电阻解决方案进行功率路径管理的智能设备和便携存储设备,提供20m?和23m?的导通电阻,1.2V~5.5V和1.5V~5.5V的输入电压范围,以及极低的关断电流泄漏,有助于满足低待机功耗应用的要求。TR = 2.7mS的优化压摆率受控开启特性可以防止带有最高200μF大电容的电源轨的电压下降。FPF1048还提供了真正的反向电流阻断(True Reverse Current Block)功能,不论产品处于开或关状态,均可避免不需要的反向功率。

  FPF2165R和FPF2195全功能负载开关具有可调电流限制,非常适合带有USB和HDMI等物理连接器的应用,应对可能会出现的大电流状况。使用带有外部电阻的限流功能,可以轻易调整输入功率预算控制,提供反向电流阻断特性,防止在设备关断时出现不必要的反向电流。这些器件在恒流模式下工作,有助于防止电流损坏,并且在发生限流故障后维持限定的电流。采用2×2mm2 MicroFET封装。

  李文辉表示,在移动市场,飞兆的策略是通过与主流Chipset平台供应商合作,提供搭配的解决方案或优化的IP,从而减少厂商研发时间和费用,加快产品上市。此外,飞兆拥有强大的移动IP有助于实现产品的差异化。
移动产品常见设计挑战及应对

  压摆率控制系统挑战:因为具有大电容的负载在开启期间出现浪涌电流,瞬态输入电压会下降。欠压闭锁(UVLO)会使系统可能出现异常。

  设计考虑:在给定Cout和Vin条件下,上升时间(Tr)直接影响浪涌电流。Tr可由集成PMOS的栅极驱动电流来控制:

    根据最大允许Vin压降和系统排序,实现正确的Tr。

  过流限制系统挑战:防止在连接损坏的负载的情况下回出现过流或者短路,由于功率过大,出现较大的Vin压降,可能会导致系统出现永久性损坏,来自USB和HDMI等物理连接可导致此问题。

  设计考虑:通过动态Ron控制,将过流限制在特定数值上

  ILIM设置:固定或者可调节

  ILIM精度:±25%、±10%或者±5%

  三种OCP行为:关断/自动重启电流源模式

  热关断设计挑战:大功率耗散可能导致功率器件过热或者损坏。

  设计考虑:保护器件避免过热,通常采用ILIM中的过电流源部件。需估算结温,用于输入功率预算控制。

  

  图3:RCB保护原理图。

  反向电流阻断(RCB)设计挑战:反向电流可能经由体二极管从输出端流向输入端,即使在Cout大于Cin和无放电路径的禁用模式下也是如此,引起系统错误。传统RCB仅在禁用期间进行RCB,而真正的RCB在启用和禁用期间都进行RCB。IntelliMAX智能负载开关实现了真正的RCB。

  设计考虑:当Vin<Vout时,通过改变体二极管的方向来阻断不需要的方向电流。

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