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用一顆簡單IC延長手機的電池壽命技術分析

降低蜂窩手機功耗并且延長其電池壽命是每一位手機設計工程師的目標。設計工程師正在不斷將Mp3播放器、照相機以及全運動視頻等功能加入到現代手機中，從而需要不斷地將功耗降到最低。

將手機主要芯片（例如模擬基帶芯片和數字基帶芯片）的電源電壓降低——可能是2.8V甚至1.8V——是降低功耗的一種方法。但是當設計工程師需要保留一顆或多顆采用高電源電壓的支持芯片時出現了問題。最常見的是智能手機的額外功能將需要較高的電壓。其中一個例子就是合弦鈴聲，由于音頻信號峰峰值范圍大約在3.2V左右，因此產生和傳送這些鈴聲的電路通常需要4.2V的電源電壓。這樣在基帶和鈴聲電路之間的接口處出現了問題。

為了說明這個問題，我們要使用模擬開關將語音或鈴聲切換到揚聲器作為一個例子。為了使這兩類電路共存于同一塊印制電路板（pCB）上，要么折中功耗，要么使用基帶芯片中的低電壓數字邏輯驅動模擬開關。然而應當注意，采用后一種方案可能會失去從基帶芯片降低電源電壓獲得的節省功耗，因為當模擬開關工作在非理想模式下，從而會產生很大的灌電流。

解決這個問題的一種簡單方法是對來自基帶芯片的數字邏輯做電平變換，以維持基帶芯片使用1.8V電壓來節省功耗，但是這種方案需要更高的電壓驅動必須工作在更高電壓下手機中的任何芯片。

為了進一步解釋這種方案為什么需要電平變換器，讓我們看一下電流實際流向哪里。如圖1所示，模擬開關的數字輸入是一個基本的CMOS緩存器，其由連接逆變器的pMOS和NMOS晶體管組成。

圖1

將信號加到緩存器的I/p輸入引腳。當輸入電壓高于輸入高電壓（Vih）時緩存器的輸出電壓是Vdd（電源電壓），當輸入電壓低于輸入低電壓（Vil）時緩存器的輸出電壓為GND（地）。這樣確保模擬開關的門極電壓為電源的某一端電壓，從而使其信號范圍最大。從0～Vdd掃描輸入電壓的同時監測電源電流（Idd）產生的如圖2所示的I-V特性曲線。當輸入電壓是電源電壓的任一端電壓時，Idd降到最小值（0μA）。但是當輸入電壓接近于緩存器的跳變點時，Idd急劇增加。因此，當施加到I/p端的數字輸入電壓為電源的某一端電壓時，模擬開關消耗最低功耗。

圖2

緩存器具有的特性曲線如圖2所示。由于緩存器設計中所用的NMOS和pMOS開關管實際上是用作電壓控制電阻器。這些芯片所表現的特性如下：

Vgs>Vt—>晶體管導通

Vgs晶體管關斷

Vt被定義為門限電壓，當高于該電壓時在源極和漏極之間形成導電溝道。NMOS晶體管的Vt為0.9V，pMOS晶體管的Vt為－0.9V。因此，當輸入電壓是0V時，pMOS（M1）處于導通狀態，第一級的輸出是Vdd。在第二級中，NMOS（M5）器件處于導通狀態，緩存器總輸出為0V。緩存器輸入電壓增加時（在達到最大電流以前）會引起M1的阻抗增加（M1開始關斷）以及M5的阻抗下降（M5開始導通），這時我們將會看到Vdd和GND之間形成的低阻抗通道。進一步提高輸入電壓會使緩存器的輸入輸出晶體管對中只有一只晶體管導通。

我們運用上述原理繼續分析模擬開關實例，考慮使用ADI公司的ADG884模擬開關在手機的合弦振鈴器和語音之間切換。來自數字基帶芯片的控制信號為1.8V。如圖2所示，若用1.8V的數字信號直接驅動模擬開關，則電源電流應為120μA。如果模擬開關的數字輸入電壓高于3.8V，那么功耗實際上應為0。因此為了使模擬開關工作在最低功耗區域，數字基帶芯片的數字信號需要變換為更高的電壓。采用ADI公司的SC70超小封裝并且通常僅消耗0.1μA電流的ADG3301作為電平變換器非常適合這項工作。如圖3所示，它可以與基帶芯片的電源電壓和模擬開關的電源電壓連接并且在兩顆芯片之間轉換邏輯電平。

圖3

當然，上面例子中的模擬開關可以是工作在更高電壓下的任何芯片。當代移動手機由多個CMOS集成電路（IC）組成以完成不同的功能，例如音頻以及視頻和數碼照相機。這些IC通常可工作在5V～1.8V之間的任何電壓下，有時甚至是更低的電源電壓。

總之，我們采用電平變換節省功耗的方案以延長電池壽命。應該考慮如下因素：低端移動電話通常使用600mAh容量的電池。低端手機的電池待機時間為300小時（hr），其標稱電流為2mA。如果沒有進行電平變換，本例中所使用的模擬開關將吸收4.8%的電流，但是如果經過上述的電平變換后其僅吸收0.04%的電流。