如何延长多任务智能手机设计的运行时间

作者：Nazzareno （Reno） Rossetti 和 ChiYoung Kim，Maxim Integrated

具有集成图形处理单元的高性能多核 CPU 已进入智能手机。智能手机现在具有我们过去期望高端音频/视频设备和台式电脑具备的功能。如今的智能手机具备 4K 视频拍摄、高端游戏、程序多任务、虚拟现实功能和更高的显示分辨率。

虽然从用户的角度来看，这些都是很棒的功能，但它们需要大量的计算，导致系统功耗高，产生大量热量。为了使这个问题更加复杂，硬件必须在体积上适合小尺寸，从而难以散发热量。本文回顾了一种解决方案，以解决为智能手机耗电的处理器供电的挑战。

为降压转换器提供更多功率相对于上述趋势，为这些处理器供电的降压转换器已经从提供几百毫安电流的单相设备发展为可以成功提供超过数十安培电流的多相设备当前的。即便如此，最先进的智能手机通常具有略高于 2，000 mAh 的电池容量。这意味着，如果它消耗一安培的连续电流，它只会持续两个小时，更不用说人们普遍预期的全天运行了。神奇之处在于严格的功率和热管理，通过在需要时提供必要的功率峰值并立即退回到低功率运行模式，最大限度地减少浪费的功率并控制温升。

热挑战

例如，在功率脉冲 P = 10 W （10 A x 1 V），如果有足够的时间，温度会升高明显不可接受的量 ΔT = R x P = 50 x 10 = 500°C。然而，如果功率脉冲在时间上受到限制——例如，t = 60 s——那么温升会受到 RC 常数的影响，并被限制在更可接受的 ΔT ≈ tx P/C = 60 x 10/ 6 = 100°C。ΔT 的线性近似对于 t 《 RC 和e -t/RC 《《 1 有效。此示例显示了动态管理功率的重要性，而不是静态管理，通过了解和控制与热相关的系统功率曲线随时间变化常数。

效率挑战

因此，具有热阻 R = 60°C/W 和热容 C = 4 焦耳/°C 的开关稳压器 IC，以效率 η = 85% 提供 10-W 功率脉冲，将耗散功率 P = （ 1-η） x P = 0.15 x 10 = 1.5 W。假设所有损耗都归因于 IC，如果有足够的时间，它的温度将上升到 ΔT = R x P = 60 x 1.5 = 90°C 以上环境温度。然而，在 60 秒后，温度只会上升 ΔT ≈ tx P/C = 60 x 1.5/4 = 22.5°C。

当然，效率越高，稳压器的损耗就越低，温升也就越低。

准确性的力量

一个电压调节器以 ±1% 的精度向电阻负载 Rr 提供 +1% 误差的 0.9V 输出，将提供 2% 的额外功率 （V 2 /Rr）。这与取效率曲线并将其降低两个百分点相同！精确度可以节省电力。

快速瞬态响应的力量

慢速稳压器的输出将在正瞬态负载下下降，并且需要将其放置在更高的位置以确保负载接收到运行所需的最低电压。类似的考虑也适用于具有高电压纹波的稳压器。在这两种情况下，这都会导致功率浪费和产生更多热量，最终导致电池寿命缩短。快速瞬态响应和低纹波节省功耗。

尺寸挑战

如前所述，必须将大量电量装入智能手机的小体积中。因此，降压转换器必须准确、快速且高效，以最小化功率损耗。在以高时钟速率运行时还必须保持效率，以减小无源元件（输出电感器和输入/输出电容器）的尺寸。

四相降压转换器 MAX77874 16 -A、四相降压稳压器（图 2）可用于应对上述挑战。与单相架构相比，在一个时钟周期内时间上等距的四个相之间分配电流具有几个优点。

图 2：MAX77874 四相框图。

首先，四个交错相位确保纹波电流消除，如图3 所示。在相对较低的每相工作频率下获得较低的总纹波电流。更低的纹波电流意味着输出需要更少的电容器，从而减少材料清单 （BOM）。

图 3：四相输出电流纹波消除。

其次，多相架构需要更少的输入电容器。图 4显示了 在强制脉宽调制 （PWM） 模式下施加到电感器的 V LXA 至 V LXD电压波形。这也可以看作是“导通”期间每个电感器在输入端汲取的电流脉冲的表示。总输入电流是四个异相电流之和。在这里，与单相操作相比，随时间扩展总输入电流会降低输入电流总 RMS 值，从而允许使用更小的输入电流纹波滤波器。

图 4：四相 LX 电压波形。

第三，多相方案比单相方案更有效。后者通过以四倍于四相的频率运行，也可以实现低纹波，但开关损耗更高。这两种方案在一个周期内具有相同数量的转换，但四相转换器转换承载的电流是单相转换器的四分之一。

MAX77874还提供了多项增强功能，包括自适应导通时间控制环路和快速跳跃模式。

MAX77874具有自适应导通时间控制环路，是流行的、快速响应、恒定导通时间控制的增强版本。自适应方案会在原本具有可变频率的方案中产生伪恒定频率，这在对噪声敏感的应用中可能会出现问题。这种操作模式也称为强制 PWM （FPWM） 模式。紧凑的 48 凸块、0.35 毫米间距 WLP 阵列封装还需要最小的 PCB 面积。

在重负载瞬态期间，四相从交错运行变为并行运行。由于四个电感器电流同时传送到负载，因此将四个相并联可实现最快的负载电流阶跃响应。在图 5中，降压转换器在任何负载下以及从轻负载到重负载的过渡期间都以 FPWM 模式运行。

图 5：FPWM 瞬态响应。

Turbo 跳跃模式结合了卓越的瞬态响应和轻负载效率。在轻负载和启用时，MAX77874 turbo skip 模式（图 6）保持所有四个相位按顺序运行，但静态电流较低且频率可变。这被称为旋转相位扩展。

图 6：轻负载旋转相位扩展。

这样，在从轻负载到重负载的过渡期间，激活所有四个相位没有延迟，并且 MAX77874 的性能与在 FPWM 模式下一样好（通过比较图 5 和图 7 所示）。

图 7：Turbo 跳跃模式瞬态响应。

与切相（在轻负载时关闭四个相位中的一些相位）相比，该方案产生的输出纹波更少，毛刺也更少。图 8 显示，随着旋转相位扩展，输出电压纹波在 0 到 500 mA 期间小于 3 mV P-P 。涡轮跳跃模式是轻负载时的默认操作模式。

图 8：具有相位扩展的输出电压纹波。

常规跳跃模式在轻负载时提供最低的电源电流和最高的效率，但响应稍慢。操作模式可以通过 I 2 C 总线进行编程。

MAX77874 具有±2.5 mV 的初始输出精度（1-V 输出时为±0.25%）和出色的温度、线路和负载调节性能，具有最佳的输出精度。图 9 显示了初始输出精度与跳跃、快速跳跃和 FPWM 模式下的设置。

图 9：输出电压初始精度与设置的关系。

此外，MAX77874 集成功率 MOSFET 的增强特性可提供比竞争四相解决方案更高的效率。图 10中的效率比较 表明，MAX77874 与 2012 年的电感相比，具有高达 4% 的优势。

图 10：效率比较。

MAX77874 应用放置在 PCB 上时仅需要 37-mm 2 的小面积（图 11），与竞争解决方案相比，总体尺寸优势为 29%。

图 11：MAX77874 尺寸优势。

结论 MAXX77874 非常适合满足智能手机设计中功能日益强大的 CPU 和 GPU 的电源和热管理要求。它提供业界领先的瞬态响应、输出电压精度和高效率，且 PCB 占位面积很小。

关于作者

Nazzareno （Reno） Rossetti， Ph.D. Maxim Integrated 的 EE 是一位经验丰富的模拟和电源管理专业人士，也是一位出版作家，在该领域拥有多项专利。他拥有意大利都灵理工大学的电气工程博士学位。

ChiYoung Kim 是 Maxim Integrated 移动电源业务部产品定义和系统工程组的主管。他在电力电子和半导体行业拥有超过 20 年的经验。ChiYoung 拥有韩国仁荷大学电气工程学士学位。

审核编辑：郭婷