手機電路設(shè)計20問

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大家好，我是工程師看海，原文來自原創(chuàng)書籍：《硬件設(shè)計指南 從器件認知到手機基帶設(shè)計》

1. 1 小電壓和小電流供電是不是可以減小大部分功耗？

這個問題本身其實并不準確，首先，電壓和電流是由負載的需求來決定的，比如負載需要的是1.2V的電壓，前端電源就不能給他提供3.3V的電；負載需要500mA的電流，前端電源的輸出電牛就不能低于500mA，要知道負載是先決條件，電源要根據(jù)負載來選擇。

再回到問題本身，從負載的角度而言，低電壓、電流的負載功耗當然也低；從電源的角度而言，以LDO電源為例，某負載的需求是1V@300mA，那么LDO的輸入、輸出電流也是300mA，假如LDO輸入是3V，則LDO本身的功耗就是(3-1)*0.3=0.6W，如果降低LDO的輸入為1.2V，則LDO本身的功耗就是(1.2-1)*0.3=0.06W，功耗降低為前者的10%，如果負載是屏幕這種常開的類型，0.6W的功耗就會嚴重減低手機待機時間，此時需要優(yōu)化電源，降低LDO上的損耗。

1. 2 電源快放電路的能量釋放最后是通過能量存儲還是發(fā)熱方式？

以前簡單介紹過快放電的原理《電源為什么要加快放電功能！不加行不行？》：https://zhuanlan.zhihu.com/p/390825308。手機里面通常沒有對能量進行存儲，主要將能量通過mos對地泄放掉，可以理解為通過電阻接地釋放掉，但是因為能量很少，所有對發(fā)熱沒什么貢獻。但是在其他電子領(lǐng)域，就可能利用電容和一些開關(guān)，存儲能量。

1. 3 手機的基帶電路的電源轉(zhuǎn)換部分的電容嘯叫是可以通過頻率調(diào)整來改善嗎？

我感覺這是個永恒的話題，以前介紹過電容嘯叫的原理和解決方案《MLCC電容為什么會嘯叫？怎么讓它閉嘴！》：https://zhuanlan.zhihu.com/p/632063627。這個問題的答案是可以，不管是PWM還是PFM頻率都可以，然而從我的經(jīng)驗來看，手機內(nèi)部的電壓PWM頻率一般超過聽覺范圍，如果改頻率的話可以從PFM角度切入，但是受限于電壓自身特性，頻率可能難以避開聽覺范圍，此時就需要多種緩解方法入手了，比如重新布局電容、重新布局電源等。

1. 4 基帶電路的主要功耗來自于哪一部分的能量損耗？通過什么方法能夠降低損耗？

這個問題有兩個考慮的角度，1個是系統(tǒng)必須使用的功耗，另一個是無用功耗。比如系統(tǒng)待機時，CPU降低主頻，關(guān)屏幕，關(guān)相機等等，此時的功耗是必要功耗，業(yè)界都有個大概值，如果超過這個值很可能就是無用功耗，比如問題1中提到的，不合理的電源架構(gòu)會增加無用功耗。

軟件有問題也會增加無用功耗，手機里有幾百個GPIO，基本上每個用到的GPIO都需要對其進行上下電測試，如果這個引腳在待機時本來是需要低電平，但是軟件配置成了高電平，甚至產(chǎn)生中間電平，可能會產(chǎn)生1ma無用功耗，如果手機設(shè)計廠商經(jīng)驗豐富，這1ma的無用功耗在研發(fā)時就會發(fā)現(xiàn)。另一個角度是熱，功耗大會發(fā)熱，熱會限制手機性能，發(fā)熱也會進一步增加電路功耗，夏天的手機就比冬天更熱。降低損耗也是個永恒的話題，需要從硬件、軟件、材料、熱等多個角度綜合考慮，單方面整改效果有限，非常吃經(jīng)驗。

1. 5 電容嘯叫是如何產(chǎn)生的？

手機里主要是MLCC陶瓷電容，陶瓷是種壓電材料，這種材料有個特點，當兩端的電壓變化時，這個材料就會發(fā)生振動，電容就會叫，這是逆壓電效應(yīng)，當電容帶著PCB電路板一起振動時，振動的聲音就會大。醫(yī)療超聲設(shè)備用到的就是這個原理，比如B超，就可以給陶瓷材料施加交變電壓，產(chǎn)生超聲波，如果頻率在20-20Khz內(nèi)，就會被人耳聽到。

6 手機電路與一般電路相比有什么特點？

我個人最大的感受是，手機電路太密了，寸土寸金，10層PCB是基本操作，電腦主板大概是12層。為了降低成本，PCB不是任意階，對過孔種類要求也搞，在這么小的空間內(nèi)要塞下射頻、天線、電源、高速信號、模擬信號、數(shù)字電源/地、模擬電源/地是個非常大的挑戰(zhàn)。而且對研發(fā)、生產(chǎn)周期要求也高，手機動輒幾十萬、幾百萬甚至幾千萬的出貨量，對電路可靠性和一致性要求很高，而且對供貨等的要求也非常高，電路設(shè)計工程師需要在3-4個月內(nèi)，完成研發(fā)、設(shè)計、生產(chǎn)所有環(huán)節(jié)，都是不小的挑戰(zhàn)（不加班是根本不可能的）。

1. 7 手機將來的功耗優(yōu)化方向？哪些部件入手？優(yōu)化幅度可以做到多少？漏電流 底電流如何要求，多少mA為優(yōu)秀？

參考文章《為什么手機續(xù)航總不夠？功耗優(yōu)化那些策略你知道多少？》：https://zhuanlan.zhihu.com/p/440560287。關(guān)機是uA級別，待機是mA級別。

1. 8 手機具體到各路功耗的電流有什么方法可以測量？

通常有3個方法；

1. 軟件調(diào)試：

   通過電源管理IC讀取電源內(nèi)部寄存器看電流。

   特點是方法簡單，缺點是電路復雜，軟件看的電流不準，往往是多個模塊的總電流。

2. 拆掉電池，用臺式電源看。

   用程控電源給手機主板供電，供電電壓可以設(shè)置為3.8V-4.2V之間，此時程控單電源顯示的電流就是系統(tǒng)電流，這個方法在debug時很好用。

   比如某手機研發(fā)時發(fā)現(xiàn)待機時間短，用程控電源供電發(fā)生系統(tǒng)電流大約幾百mA，此時如果拔掉屏幕，待機電流馬上掉下來，那么就證明異常功耗大概率和屏幕相關(guān)。

   然后再逐步排除屏幕相關(guān)軟硬件設(shè)計內(nèi)容。

3. 多通道采集卡。

   調(diào)試時在負載電源線路上串聯(lián)采樣電阻，使用多通道采集卡采集電阻電壓，電壓除以阻值就是電流。

   這個方法操作起來比較復雜，但是對于一些極限場景確實很好用，打的很準。

1. 9 手機快充是否會減少電池的壽命？

循環(huán)充一次電，電池壽命就少一次，從這個角度來講，只要充電就會減少電池壽命，快充時，電池、手機發(fā)熱大，電池對熱很敏感，快充帶來的高熱量會降低電池壽命，因此非常不建議一邊玩手機一邊充電。

1. 10 手機基帶電源和干擾如何平衡？

這個從系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)外干擾兩個角度來考慮，系統(tǒng)外就是EMI，很少會遇到對二者的平衡選擇，因為大部分EMI整改方法都是有效的（屏蔽、旁路等），電源會影響到EMI，但是通常不需要電源自身整改。另一個角度是系統(tǒng)內(nèi)的，手機集成度特別高，在很小的主板下塞下射頻、天線、電源、高速信號、模擬信號、數(shù)字電源/地、模擬電源/地、是個非常大的挑戰(zhàn)，比如電源對相機畫質(zhì)的干擾，參考文章《相機電源受干擾案例分析，嚴重影響畫質(zhì)！》：https://zhuanlan.zhihu.com/p/632066248。所以沒有什么權(quán)衡，有問題改就對了，不能說有干擾就不用電源了，要根據(jù)具體問題產(chǎn)生的原因來具體修改，修改好了其實誰都不會影響誰的。

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