手机电路设计20问 《硬件设计指南 从器件认知到手机基带设计》亮点

大家好，我是工程师看海，原文来自原创书籍：《硬件设计指南 从器件认知到手机基带设计》

1 小电压和小电流供电是不是可以减小大部分功耗？

这个问题本身其实并不准确，首先，电压和电流是由负载的需求来决定的，比如负载需要的是1.2V的电压，前端电源就不能给他提供3.3V的电；负载需要500mA的电流，前端电源的输出电牛就不能低于500mA，要知道负载是先决条件，电源要根据负载来选择。

再回到问题本身，从负载的角度而言，低电压、电流的负载功耗当然也低；从电源的角度而言，以LDO电源为例，某负载的需求是1V@300mA，那么LDO的输入、输出电流也是300mA，假如LDO输入是3V，则LDO本身的功耗就是(3-1)*0.3=0.6W，如果降低LDO的输入为1.2V，则LDO本身的功耗就是(1.2-1)*0.3=0.06W，功耗降低为前者的10%，如果负载是屏幕这种常开的类型，0.6W的功耗就会严重减低手机待机时间，此时需要优化电源，降低LDO上的损耗。

2 电源快放电路的能量释放最后是通过能量存储还是发热方式？

以前简单介绍过快放电的原理《电源为什么要加快放电功能！不加行不行？》：https://zhuanlan.zhihu.com/p/390825308。手机里面通常没有对能量进行存储，主要将能量通过mos对地泄放掉，可以理解为通过电阻接地释放掉，但是因为能量很少，所有对发热没什么贡献。但是在其他电子领域，就可能利用电容和一些开关，存储能量。

3 手机的基带电路的电源转换部分的电容啸叫是可以通过频率调整来改善吗？

我感觉这是个永恒的话题，以前介绍过电容啸叫的原理和解决方案《MLCC电容为什么会啸叫？怎么让它闭嘴！》：https://zhuanlan.zhihu.com/p/632063627。这个问题的答案是可以，不管是PWM还是PFM频率都可以，然而从我的经验来看，手机内部的电压PWM频率一般超过听觉范围，如果改频率的话可以从PFM角度切入，但是受限于电压自身特性，频率可能难以避开听觉范围，此时就需要多种缓解方法入手了，比如重新布局电容、重新布局电源等。

4 基带电路的主要功耗来自于哪一部分的能量损耗？通过什么方法能够降低损耗？

这个问题有两个考虑的角度，1个是系统必须使用的功耗，另一个是无用功耗。比如系统待机时，CPU降低主频，关屏幕，关相机等等，此时的功耗是必要功耗，业界都有个大概值，如果超过这个值很可能就是无用功耗，比如问题1中提到的，不合理的电源架构会增加无用功耗。

软件有问题也会增加无用功耗，手机里有几百个GPIO，基本上每个用到的GPIO都需要对其进行上下电测试，如果这个引脚在待机时本来是需要低电平，但是软件配置成了高电平，甚至产生中间电平，可能会产生1ma无用功耗，如果手机设计厂商经验丰富，这1ma的无用功耗在研发时就会发现。另一个角度是热，功耗大会发热，热会限制手机性能，发热也会进一步增加电路功耗，夏天的手机就比冬天更热。降低损耗也是个永恒的话题，需要从硬件、软件、材料、热等多个角度综合考虑，单方面整改效果有限，非常吃经验。

5 电容啸叫是如何产生的？

手机里主要是MLCC陶瓷电容，陶瓷是种压电材料，这种材料有个特点，当两端的电压变化时，这个材料就会发生振动，电容就会叫，这是逆压电效应，当电容带着PCB电路板一起振动时，振动的声音就会大。医疗超声设备用到的就是这个原理，比如B超，就可以给陶瓷材料施加交变电压，产生超声波，如果频率在20-20Khz内，就会被人耳听到。

6 手机电路与一般电路相比有什么特点？

我个人最大的感受是，手机电路太密了，寸土寸金，10层PCB是基本操作，电脑主板大概是12层。为了降低成本，PCB不是任意阶，对过孔种类要求也搞，在这么小的空间内要塞下射频、天线、电源、高速信号、模拟信号、数字电源/地、模拟电源/地是个非常大的挑战。而且对研发、生产周期要求也高，手机动辄几十万、几百万甚至几千万的出货量，对电路可靠性和一致性要求很高，而且对供货等的要求也非常高，电路设计工程师需要在3-4个月内，完成研发、设计、生产所有环节，都是不小的挑战（不加班是根本不可能的）。

7 手机将来的功耗优化方向？哪些部件入手？优化幅度可以做到多少？漏电流 底电流如何要求，多少mA为优秀？

参考文章《为什么手机续航总不够？功耗优化那些策略你知道多少？》：https://zhuanlan.zhihu.com/p/440560287。关机是uA级别，待机是mA级别。

8 手机具体到各路功耗的电流有什么方法可以测量？

通常有3个方法；

软件调试：

通过电源管理IC读取电源内部寄存器看电流。

特点是方法简单，缺点是电路复杂，软件看的电流不准，往往是多个模块的总电流。

拆掉电池，用台式电源看。

用程控电源给手机主板供电，供电电压可以设置为3.8V-4.2V之间，此时程控单电源显示的电流就是系统电流，这个方法在debug时很好用。

比如某手机研发时发现待机时间短，用程控电源供电发生系统电流大约几百mA，此时如果拔掉屏幕，待机电流马上掉下来，那么就证明异常功耗大概率和屏幕相关。

然后再逐步排除屏幕相关软硬件设计内容。

多通道采集卡。

调试时在负载电源线路上串联采样电阻，使用多通道采集卡采集电阻电压，电压除以阻值就是电流。

这个方法操作起来比较复杂，但是对于一些极限场景确实很好用，打的很准。

9 手机快充是否会减少电池的寿命？

循环充一次电，电池寿命就少一次，从这个角度来讲，只要充电就会减少电池寿命，快充时，电池、手机发热大，电池对热很敏感，快充带来的高热量会降低电池寿命，因此非常不建议一边玩手机一边充电。

10 手机基带电源和干扰如何平衡？

这个从系统内和系统外干扰两个角度来考虑，系统外就是EMI，很少会遇到对二者的平衡选择，因为大部分EMI整改方法都是有效的（屏蔽、旁路等），电源会影响到EMI，但是通常不需要电源自身整改。另一个角度是系统内的，手机集成度特别高，在很小的主板下塞下射频、天线、电源、高速信号、模拟信号、数字电源/地、模拟电源/地、是个非常大的挑战，比如电源对相机画质的干扰，参考文章《相机电源受干扰案例分析，严重影响画质！》：https://zhuanlan.zhihu.com/p/632066248。所以没有什么权衡，有问题改就对了，不能说有干扰就不用电源了，要根据具体问题产生的原因来具体修改，修改好了其实谁都不会影响谁的。

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