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智能手機(jī)SD閃存供電方法

發(fā)布時(shí)間:2010-10-05

中心議題:
  • SD閃存供電方法

手機(jī)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(nèi)容的捕獲、顯示與共享功能推動(dòng)著對存儲器的需求不斷增長。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單而生動(dòng)。此外,無處不在的網(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800萬像素甚至1,200萬像素的相機(jī)手機(jī)。在視頻方面,拍攝性能達(dá)720p@30fps的手機(jī)也開始面市。這些都是存儲器密集型應(yīng)用,其內(nèi)容一般存儲在固態(tài)存儲器中。

雖然數(shù)碼相機(jī)歷來需要很大的存儲容量,但對手機(jī)而言,這種要求只是在近幾年才變得重要起來。幸運(yùn)的是,固態(tài)存儲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。
  
對于消費(fèi)存儲應(yīng)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(shù),有三種外形尺寸,如圖2所示,分別為SD卡、miniSD卡和microSD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。

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(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存儲器有兩類時(shí)鐘頻率。在缺省模式,存儲器可以工作在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)所需的讀寫速度來優(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、miniSD卡和microSD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(shè)計(jì)的另一個(gè)考慮事項(xiàng)是存儲器的耗電量。存儲器有關(guān)斷、待機(jī)、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(gè)給定的存儲卡,讀/寫狀態(tài)的耗電量還與讀寫速度有關(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。
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對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,且存儲器的電源軌相當(dāng)高,則線性調(diào)節(jié)器就成為SD存儲器的電源選擇。不過,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。

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(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所示的開關(guān)轉(zhuǎn)換器來獲得更高的功率轉(zhuǎn)換效率

圖4:FAN5362降壓轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)2.9VSD卡的供電電路。

按照表1的計(jì)算,對于300mA的系統(tǒng),F(xiàn)AN5362能把功耗降至55mW;對于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,對于這種功耗敏感應(yīng)用,采用6MHz開關(guān)頻率時(shí)的功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于采用3MHz開關(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,F(xiàn)orcePWM為虛線。
  
雖然選擇一個(gè)降壓轉(zhuǎn)換器來取代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_關(guān),并在100%占空比下工作。若手機(jī)開始發(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LDO而言,VVBAT的突然下降是有益的,因?yàn)長DO總是工作在線性區(qū)域。但對降壓轉(zhuǎn)換器,情況就不同了,因?yàn)樗鼈儽仨氈饾u從開關(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是存儲器負(fù)載電流。
  
FAN5362經(jīng)過專門設(shè)計(jì)以處理上述最小過沖/下沖。此外,F(xiàn)ET的控制機(jī)制和RDS(ON)也經(jīng)過精心設(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)。對存儲器來說,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)步滿足了對超緊湊型、低價(jià)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(yīng)用而設(shè)計(jì)的降壓轉(zhuǎn)換器FAN5362等產(chǎn)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。
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