- 探究高效的智能手機SD閃存供電方法
- 供電電源的設計
- 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開關頻率時的功耗
手機對存儲功能的需求正在迅速增長，本文探討了存儲器的發(fā)展趨勢和幾種不同的SD閃存供電方法。
視頻與圖像內容的捕獲、顯示與共享功能推動著對存儲器的需求不斷增長。由于小型相機光學技術、高度集成化圖像處理以及先進閃光技術(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，捕獲功能正在迅速改進。纖薄且高效的觸摸屏LCD、AMOLED以及超AMOLED解決方案，結合直觀方便的用戶界面，讓圖片和視頻圖像的顯示變得簡單而生動。此外，無處不在的網絡連接性、各種社交網絡以及大量的可下載內容源的存在也使得共享功能加速發(fā)展。
這些技術推動手機制造商設計出圖像分辨率為800萬像素甚至1,200萬像素的相機手機。在視頻方面，拍攝性能達720p@30fps的手機也開始面市。這些都是存儲器密集型應用，其內容一般存儲在固態(tài)存儲器中。
雖然數碼相機歷來需要很大的存儲容量，但對手機而言，這種要求只是在近幾年才變得重要起來。幸運的是，固態(tài)存儲器的密度和容量在逐漸增加，其價格($/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閃存技術的制造工藝幾何尺寸變化趨勢。
對于消費存儲應用，最常見的固態(tài)存儲器格式是SD閃存。目前的SD閃存基于NAND技術，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存儲器還可以按照容量大小來分類。標準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存儲器有兩類時鐘頻率。在缺省模式，存儲器可以工作在0至25MHz的時鐘頻率下，接口速度達12.5MB/s(使用4條并行數據線)。在高速模式，存儲器可以工作在0至50MHz的時鐘頻率下，接口速度達25MB/s(使用4條并行數據線)。系統(tǒng)設計人員可以根據所需的讀寫速度來優(yōu)化這個參數，在討論電源考慮事項時，這一點變得十分重要。
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3.6V，則性能無法保證，而且存儲器有可能受到損害。
電源設計的另一個考慮事項是存儲器的耗電量。存儲器有關斷、待機、讀和寫四種主要工作模式，處于不同的狀態(tài)，耗電量也不同。對于一個給定的存儲卡，讀/寫狀態(tài)的耗電量還與讀寫速度有關。普通卡支持最高25MHz的時鐘頻率，高速卡支持最高50MHz的時鐘頻率。隨著存儲容量不斷增大，為確保適當的消費者使用模式，需要更快的時鐘頻率。
對于低速工作的小容量SD卡，耗電量常常小于100mA。假設鋰離子電池的額定工作電壓為3.7V，且存儲器的電源軌相當高，則線性調節(jié)器就成為SD存儲器的電源選擇。不過，選定的線性調節(jié)器必須能以低壓降(LDO)方式工作，因為鋰離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始顯著增加。圖3為一個給SD卡提供典型2.9V電壓的LDO穩(wěn)壓器，這里選擇2.9V是因為假定LDO能確保在任何線路、負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換效率。計算出的LDO轉換效率為 78%，故功耗分別為240mW和 320mW。
表1： LDO與 6MHz降壓轉換器和3MHz降壓轉換器的電源效率與功耗對比。
然而，許多系統(tǒng)設計人員都認為320mW甚至 240mW的功耗都是不可接受的。幸運的是，現在可以采用如圖4所示的開關轉換器來獲得更高的功率轉換效率。
圖4：FAN5362降壓轉換器實現2.9V SD卡的供電電路。
按照表1的計算，對于300mA的系統(tǒng)，FAN5362能把功耗降至55mW；對于400mA的系統(tǒng)，FAN5362能將功耗降至101mW。這些效率值根據所測得的FAN5362效率曲線而獲得。圖5顯示了AutoPFM(實線) 和 ForcePWM (虛線)的效率曲線。在優(yōu)化FAN5362效率的同時，選擇3MHz作為額定開關頻率，因為它能夠提供尺寸和效率之間的最佳權衡。從表1可看出，對于這種功耗敏感應用，采用6MHz開關頻率時的功耗遠遠大于采用3MHz開關頻率時的功耗。
圖5：FAN5362 效率與負載電流的關系，AutoPFM為實線 ， ForcePWM為虛線。
[page]雖然選擇一個降壓轉換器來取代LDO似乎意義不大，但考慮到降壓轉換器必須能在極高占空比下工作，這就變得十分重要了。如果降壓轉換器的輸出設定為2.9V，電池電壓低到3.3V，降壓轉換器在88%的占空比下工作。在某些負載和輸入電壓條件下，降壓轉換器甚至會被迫停止開關，并在100%占空比下工作。若手機開始發(fā)射GSM脈沖，在低電池電壓(VVBAT)情況下，這種情形會變得更加嚴重。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使電池電壓下降400mV。對LDO而言，
VVBAT的突然下降是有益的，因為LDO總是工作在線性區(qū)域。但對降壓轉換器，情況就不同了，因為它們必須逐漸從開關狀態(tài)轉變?yōu)?00%導通，一旦電池電壓回到3.3V，就再一次回到開關狀態(tài)。在這個期間，高側器件完全導通，降壓轉換器的輸出電壓僅為VVBAT–RDS(ON) *I – DCR*I，其中RDS(ON)是高側FET的導通阻抗，DCR是電感的串行阻抗，I是存儲器負載電流。
FAN5362經過專門設計以處理上述最小過沖/下沖。此外，FET的控制機制和RDS(ON)也經過精心設計，以確保輸出電壓絕不低于2.7V，甚至包括了線路和負載瞬態(tài)響應。對存儲器來說，這點至關重要，因為SD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步滿足了對超緊湊型、低價SD存儲器的需求，但這種大容量器件也帶來了功耗問題。利用專門針對這類應用而設計的降壓轉換器FAN5362等產品來替代目前的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。
