手機電路設計20問

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大家好，我是工程師看海，原文來自原創書籍：《硬件設計指南 從器件認知到手機基帶設計》

1. 1 小電壓和小電流供電是不是可以減小大部分功耗？

這個問題本身其實并不準確，首先，電壓和電流是由負載的需求來決定的，比如負載需要的是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，要知道負載是先決條件，電源要根據負載來選擇。

再回到問題本身，從負載的角度而言，低電壓、電流的負載功耗當然也低；從電源的角度而言，以LDO電源為例，某負載的需求是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%，如果負載是屏幕這種常開的類型，0.6W的功耗就會嚴重減低手機待機時間，此時需要優化電源，降低LDO上的損耗。

1. 2 電源快放電路的能量釋放最后是通過能量存儲還是發熱方式？

以前簡單介紹過快放電的原理《電源為什么要加快放電功能！不加行不行？》：https://zhuanlan.zhihu.com/p/390825308。手機里面通常沒有對能量進行存儲，主要將能量通過mos對地泄放掉，可以理解為通過電阻接地釋放掉，但是因為能量很少，所有對發熱沒什么貢獻。但是在其他電子領域，就可能利用電容和一些開關，存儲能量。

1. 3 手機的基帶電路的電源轉換部分的電容嘯叫是可以通過頻率調整來改善嗎？

我感覺這是個永恒的話題，以前介紹過電容嘯叫的原理和解決方案《MLCC電容為什么會嘯叫？怎么讓它閉嘴！》：https://zhuanlan.zhihu.com/p/632063627。這個問題的答案是可以，不管是PWM還是PFM頻率都可以，然而從我的經驗來看，手機內部的電壓PWM頻率一般超過聽覺范圍，如果改頻率的話可以從PFM角度切入，但是受限于電壓自身特性，頻率可能難以避開聽覺范圍，此時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。

1. 4 基帶電路的主要功耗來自于哪一部分的能量損耗？通過什么方法能夠降低損耗？

這個問題有兩個考慮的角度，1個是系統必須使用的功耗，另一個是無用功耗。比如系統待機時，CPU降低主頻，關屏幕，關相機等等，此時的功耗是必要功耗，業界都有個大概值，如果超過這個值很可能就是無用功耗，比如問題1中提到的，不合理的電源架構會增加無用功耗。

軟件有問題也會增加無用功耗，手機里有幾百個GPIO，基本上每個用到的GPIO都需要對其進行上下電測試，如果這個引腳在待機時本來是需要低電平，但是軟件配置成了高電平，甚至產生中間電平，可能會產生1ma無用功耗，如果手機設計廠商經驗豐富，這1ma的無用功耗在研發時就會發現。另一個角度是熱，功耗大會發熱，熱會限制手機性能，發熱也會進一步增加電路功耗，夏天的手機就比冬天更熱。降低損耗也是個永恒的話題，需要從硬件、軟件、材料、熱等多個角度綜合考慮，單方面整改效果有限，非常吃經驗。

1. 5 電容嘯叫是如何產生的？

手機里主要是MLCC陶瓷電容，陶瓷是種壓電材料，這種材料有個特點，當兩端的電壓變化時，這個材料就會發生振動，電容就會叫，這是逆壓電效應，當電容帶著PCB電路板一起振動時，振動的聲音就會大。醫療超聲設備用到的就是這個原理，比如B超，就可以給陶瓷材料施加交變電壓，產生超聲波，如果頻率在20-20Khz內，就會被人耳聽到。

6 手機電路與一般電路相比有什么特點？

我個人最大的感受是，手機電路太密了，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，對過孔種類要求也搞，在這么小的空間內要塞下射頻、天線、電源、高速信號、模擬信號、數字電源/地、模擬電源/地是個非常大的挑戰。而且對研發、生產周期要求也高，手機動輒幾十萬、幾百萬甚至幾千萬的出貨量，對電路可靠性和一致性要求很高，而且對供貨等的要求也非常高，電路設計工程師需要在3-4個月內，完成研發、設計、生產所有環節，都是不小的挑戰（不加班是根本不可能的）。

1. 7 手機將來的功耗優化方向？哪些部件入手？優化幅度可以做到多少？漏電流 底電流如何要求，多少mA為優秀？

參考文章《為什么手機續航總不夠？功耗優化那些策略你知道多少？》：https://zhuanlan.zhihu.com/p/440560287。關機是uA級別，待機是mA級別。

1. 8 手機具體到各路功耗的電流有什么方法可以測量？

通常有3個方法；

1. 軟件調試：

   通過電源管理IC讀取電源內部寄存器看電流。

   特點是方法簡單，缺點是電路復雜，軟件看的電流不準，往往是多個模塊的總電流。

2. 拆掉電池，用臺式電源看。

   用程控電源給手機主板供電，供電電壓可以設置為3.8V-4.2V之間，此時程控單電源顯示的電流就是系統電流，這個方法在debug時很好用。

   比如某手機研發時發現待機時間短，用程控電源供電發生系統電流大約幾百mA，此時如果拔掉屏幕，待機電流馬上掉下來，那么就證明異常功耗大概率和屏幕相關。

   然后再逐步排除屏幕相關軟硬件設計內容。

3. 多通道采集卡。

   調試時在負載電源線路上串聯采樣電阻，使用多通道采集卡采集電阻電壓，電壓除以阻值就是電流。

   這個方法操作起來比較復雜，但是對于一些極限場景確實很好用，打的很準。

1. 9 手機快充是否會減少電池的壽命？

循環充一次電，電池壽命就少一次，從這個角度來講，只要充電就會減少電池壽命，快充時，電池、手機發熱大，電池對熱很敏感，快充帶來的高熱量會降低電池壽命，因此非常不建議一邊玩手機一邊充電。

1. 10 手機基帶電源和干擾如何平衡？

這個從系統內和系統外干擾兩個角度來考慮，系統外就是EMI，很少會遇到對二者的平衡選擇，因為大部分EMI整改方法都是有效的（屏蔽、旁路等），電源會影響到EMI，但是通常不需要電源自身整改。另一個角度是系統內的，手機集成度特別高，在很小的主板下塞下射頻、天線、電源、高速信號、模擬信號、數字電源/地、模擬電源/地、是個非常大的挑戰，比如電源對相機畫質的干擾，參考文章《相機電源受干擾案例分析，嚴重影響畫質！》：https://zhuanlan.zhihu.com/p/632066248。所以沒有什么權衡，有問題改就對了，不能說有干擾就不用電源了，要根據具體問題產生的原因來具體修改，修改好了其實誰都不會影響誰的。

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