利用一顆簡(jiǎn)單IC來(lái)延長(cháng)手機的電池壽命

　　降低蜂窩手機功耗并且延長(cháng)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(dòng)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2.8 V甚至1.8 V——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(shí)出現了問(wèn)題。最常見(jiàn)的是智能手機的額外功能將需要較高的電壓。其中一個(gè)例子就是合弦鈴聲，由于音頻信號峰峰值范圍大約在3.2 V左右，因此產(chǎn)生和傳送這些鈴聲的電路通常需要4.2 V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(wèn)題。

　　為了說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題，我們要使用模擬開(kāi)關(guān)將語(yǔ)音或鈴聲切換到揚聲器作為一個(gè)例子。為了使這兩類(lèi)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(dòng)模擬開(kāi)關(guān)。然而應當注意，采用后一種方案可能會(huì )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(kāi)關(guān)工作在非理想模式下，從而會(huì )產(chǎn)生很大的灌電流。

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

　　為了進(jìn)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(shí)際流向哪里。如圖1 所示，模擬開(kāi)關(guān)的數字輸入是一個(gè)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(shí)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(shí)緩存器的輸出電壓為GND（地）。這樣確保模擬開(kāi)關(guān)的門(mén)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(shí)監測電源電流（Idd）產(chǎn)生的如圖2所示的I-V特性曲線(xiàn)。當輸入電壓是電源電壓的任一端電壓時(shí)，Idd降到最小值（0 μA）。但是當輸入電壓接近于緩存器的跳變點(diǎn)時(shí)，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(shí)，模擬開(kāi)關(guān)消耗最低功耗。

　　圖2

　　緩存器具有的特性曲線(xiàn)如圖2所示。由于緩存器設計中所用的NMOS和PMOS開(kāi)關(guān)管實(shí)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 Vt —> 晶體管關(guān)斷

　　Vt被定義為門(mén)限電壓，當高于該電壓時(shí)在源極和漏極之間形成導電溝道。NMOS晶體管的Vt為0.9 V，PMOS晶體管的Vt為－0.9 V。因此，當輸入電壓是0 V時(shí)，PMOS（M1）處于導通狀態(tài)，第一級的輸出是Vdd。在第二級中，NMOS（M5）器件處于導通狀態(tài)，緩存器總輸出為0 V。緩存器輸入電壓增加時(shí)（在達到最大電流以前）會(huì )引起M1的阻抗增加（M1開(kāi)始關(guān)斷）以及M5的阻抗下降（M5開(kāi)始導通），這時(shí)我們將會(huì )看到Vdd和 GND之間形成的低阻抗通道。進(jìn)一步提高輸入電壓會(huì )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(kāi)關(guān)實(shí)例，考慮使用ADI公司的ADG884模擬開(kāi)關(guān)在手機的合弦振鈴器和語(yǔ)音之間切換。來(lái)自數字基帶芯片的控制信號為1.8 V。如圖2所示，若用1.8 V的數字信號直接驅動(dòng)模擬開(kāi)關(guān)，則電源電流應為120 μA。如果模擬開(kāi)關(guān)的數字輸入電壓高于3.8 V，那么功耗實(shí)際上應為0。因此為了使模擬開(kāi)關(guān)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0.1 μA 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(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)可以是工作在更高電壓下的任何芯片。當代移動(dòng)手機由多個(gè)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?？晒ぷ髟? V～1.8 V之間的任何電壓下，有時(shí)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(cháng)電池壽命。應該考慮如下因素：低端移動(dòng)電話(huà)通常使用600 mAh容量的電池。低端手機的電池待機時(shí)間為300小時(shí)（hr），其標稱(chēng)電流為2 mA。如果沒(méi)有進(jìn)行電平變換，本例中所使用的模擬開(kāi)關(guān)將吸收4.8%的電流，但是如果經(jīng)過(guò)上述的電平變換后其僅吸收0.04%的電流。