手機(jī)電路設(shè)計(jì)20問(wèn)

大家好，我是工程師看海，原文來(lái)自原創(chuàng)書(shū)籍：《硬件設(shè)計(jì)指南 從器件認(rèn)知到手機(jī)基帶設(shè)計(jì)》

1 小電壓和小電流供電是不是可以減小大部分功耗？

這個(gè)問(wèn)題本身其實(shí)并不準(zhǔn)確，首先，電壓和電流是由負(fù)載的需求來(lái)決定的，比如負(fù)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(fù)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(fù)載是先決條件，電源要根據(jù)負(fù)載來(lái)選擇。

再回到問(wèn)題本身，從負(fù)載的角度而言，低電壓、電流的負(fù)載功耗當(dāng)然也低；從電源的角度而言，以LDO電源為例，某負(fù)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(fù)載是屏幕這種常開(kāi)的類(lèi)型，0.6W的功耗就會(huì)嚴(yán)重減低手機(jī)待機(jī)時(shí)間，此時(shí)需要優(yōu)化電源，降低LDO上的損耗。

2 電源快放電路的能量釋放最后是通過(guò)能量存儲(chǔ)還是發(fā)熱方式？

以前簡(jiǎn)單介紹過(guò)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(jī)里面通常沒(méi)有對(duì)能量進(jìn)行存儲(chǔ)，主要將能量通過(guò)mos對(duì)地泄放掉，可以理解為通過(guò)電阻接地釋放掉，但是因?yàn)槟芰亢苌伲袑?duì)發(fā)熱沒(méi)什么貢獻(xiàn)。但是在其他電子領(lǐng)域，就可能利用電容和一些開(kāi)關(guān)，存儲(chǔ)能量。

3 手機(jī)的基帶電路的電源轉(zhuǎn)換部分的電容嘯叫是可以通過(guò)頻率調(diào)整來(lái)改善嗎？

我感覺(jué)這是個(gè)永恒的話(huà)題，以前介紹過(guò)電容嘯叫的原理和解決方案《MLCC電容為什么會(huì)嘯叫？怎么讓它閉嘴！》：https://zhuanlan.zhihu.com/p/632063627。這個(gè)問(wèn)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(yàn)來(lái)看，手機(jī)內(nèi)部的電壓PWM頻率一般超過(guò)聽(tīng)覺(jué)范圍，如果改頻率的話(huà)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(kāi)聽(tīng)覺(jué)范圍，此時(shí)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。

4 基帶電路的主要功耗來(lái)自于哪一部分的能量損耗？通過(guò)什么方法能夠降低損耗？

這個(gè)問(wèn)題有兩個(gè)考慮的角度，1個(gè)是系統(tǒng)必須使用的功耗，另一個(gè)是無(wú)用功耗。比如系統(tǒng)待機(jī)時(shí)，CPU降低主頻，關(guān)屏幕，關(guān)相機(jī)等等，此時(shí)的功耗是必要功耗，業(yè)界都有個(gè)大概值，如果超過(guò)這個(gè)值很可能就是無(wú)用功耗，比如問(wèn)題1中提到的，不合理的電源架構(gòu)會(huì)增加無(wú)用功耗。

軟件有問(wèn)題也會(huì)增加無(wú)用功耗，手機(jī)里有幾百個(gè)GPIO，基本上每個(gè)用到的GPIO都需要對(duì)其進(jìn)行上下電測(cè)試，如果這個(gè)引腳在待機(jī)時(shí)本來(lái)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(huì)產(chǎn)生1ma無(wú)用功耗，如果手機(jī)設(shè)計(jì)廠(chǎng)商經(jīng)驗(yàn)豐富，這1ma的無(wú)用功耗在研發(fā)時(shí)就會(huì)發(fā)現(xiàn)。另一個(gè)角度是熱，功耗大會(huì)發(fā)熱，熱會(huì)限制手機(jī)性能，發(fā)熱也會(huì)進(jìn)一步增加電路功耗，夏天的手機(jī)就比冬天更熱。降低損耗也是個(gè)永恒的話(huà)題，需要從硬件、軟件、材料、熱等多個(gè)角度綜合考慮，單方面整改效果有限，非常吃經(jīng)驗(yàn)。

5 電容嘯叫是如何產(chǎn)生的？

手機(jī)里主要是MLCC陶瓷電容，陶瓷是種壓電材料，這種材料有個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)兩端的電壓變化時(shí)，這個(gè)材料就會(huì)發(fā)生振動(dòng)，電容就會(huì)叫，這是逆壓電效應(yīng)，當(dāng)電容帶著PCB電路板一起振動(dòng)時(shí)，振動(dòng)的聲音就會(huì)大。醫(yī)療超聲設(shè)備用到的就是這個(gè)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(huì)被人耳聽(tīng)到。

6 手機(jī)電路與一般電路相比有什么特點(diǎn)？

我個(gè)人最大的感受是，手機(jī)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(duì)過(guò)孔種類(lèi)要求也搞，在這么小的空間內(nèi)要塞下射頻、天線(xiàn)、電源、高速信號(hào)、模擬信號(hào)、數(shù)字電源/地、模擬電源/地是個(gè)非常大的挑戰(zhàn)。而且對(duì)研發(fā)、生產(chǎn)周期要求也高，手機(jī)動(dòng)輒幾十萬(wàn)、幾百萬(wàn)甚至幾千萬(wàn)的出貨量，對(duì)電路可靠性和一致性要求很高，而且對(duì)供貨等的要求也非常高，電路設(shè)計(jì)工程師需要在3-4個(gè)月內(nèi)，完成研發(fā)、設(shè)計(jì)、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）。

7 手機(jī)將來(lái)的功耗優(yōu)化方向？哪些部件入手？?jī)?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(jī)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(jī)是uA級(jí)別，待機(jī)是mA級(jí)別。

8 手機(jī)具體到各路功耗的電流有什么方法可以測(cè)量？

通常有3個(gè)方法；

軟件調(diào)試：

通過(guò)電源管理IC讀取電源內(nèi)部寄存器看電流。

特點(diǎn)是方法簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，軟件看的電流不準(zhǔn)，往往是多個(gè)模塊的總電流。

拆掉電池，用臺(tái)式電源看。

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

比如某手機(jī)研發(fā)時(shí)發(fā)現(xiàn)待機(jī)時(shí)間短，用程控電源供電發(fā)生系統(tǒng)電流大約幾百mA，此時(shí)如果拔掉屏幕，待機(jī)電流馬上掉下來(lái)，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(jì)內(nèi)容。

多通道采集卡。

調(diào)試時(shí)在負(fù)載電源線(xiàn)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(gè)方法操作起來(lái)比較復(fù)雜，但是對(duì)于一些極限場(chǎng)景確實(shí)很好用，打的很準(zhǔn)。

9 手機(jī)快充是否會(huì)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(gè)角度來(lái)講，只要充電就會(huì)減少電池壽命，快充時(shí)，電池、手機(jī)發(fā)熱大，電池對(duì)熱很敏感，快充帶來(lái)的高熱量會(huì)降低電池壽命，因此非常不建議一邊玩手機(jī)一邊充電。

10 手機(jī)基帶電源和干擾如何平衡？

這個(gè)從系統(tǒng)內(nèi)和系統(tǒng)外干擾兩個(gè)角度來(lái)考慮，系統(tǒng)外就是EMI，很少會(huì)遇到對(duì)二者的平衡選擇，因?yàn)榇蟛糠諩MI整改方法都是有效的（屏蔽、旁路等），電源會(huì)影響到EMI，但是通常不需要電源自身整改。另一個(gè)角度是系統(tǒng)內(nèi)的，手機(jī)集成度特別高，在很小的主板下塞下射頻、天線(xiàn)、電源、高速信號(hào)、模擬信號(hào)、數(shù)字電源/地、模擬電源/地、是個(gè)非常大的挑戰(zhàn)，比如電源對(duì)相機(jī)畫(huà)質(zhì)的干擾。

參考文章《相機(jī)電源受干擾案例分析，嚴(yán)重影響畫(huà)質(zhì)！》：https://zhuanlan.zhihu.com/p/632066248。所以沒(méi)有什么權(quán)衡，有問(wèn)題改就對(duì)了，不能說(shuō)有干擾就不用電源了，要根據(jù)具體問(wèn)題產(chǎn)生的原因來(lái)具體修改，修改好了其實(shí)誰(shuí)都不會(huì)影響誰(shuí)的。