【技术大神】系统功耗优化设计经验

2016-05-23 技术大神活动文章

在当今各种IT设备中,譬如我们经常使用的笔记本电脑,手机,电子手表,智能手环等,battery life都是一个产品好坏非常重要的衡量标准,也是用户非常关注的一个问题。那么,在硬件主平台和Battery容量都确定的情况下,我们如何来提高battery life,优化我们的设计呢。我根据自己的一些设计经验,大概整理如下。


器件选型
1)DC-DC选型: 轻载重载高效DC-DC Convertor可以大大提高电源转换效率。
我曾经在设计Intel平台笔记本的时候,在3.3VA&1.8VA&1.2V三路电源使用R公司的DC-DC convertor 。当系统Standby的时候(电源轻载 ),系统功耗0.685W, 修改成世强代理的Ricoh R1272S之后,系统功耗减少到只有0.176W,大大的提高了standby时的battery life。


图1:Ricoh R1272S efficiency VS output Current


图2:DC-DC convertor efficiency VS output Current


从上图可以看出,在10mA/12V以上轻载条件下,Ricoh R1272S有90%左右的效率,但是R公司的IC只有50%左右的效率。


2)MOSFET选择:在满足电压电流等电气需求的情况下,RDS(ON) 越小越好。

3)电感的选择: 我们在使用DC-DC PWM convertor的时候,电感的选择非常影电源的效率。Isat(mA)至少保持超过电路最大电流30%,RDC越小越好。我曾经遇到过CPU Core 电感选型错误的问题,当CPU重载工作的时候,电感饱和,导致电感发热把焊锡都融化的问题。这就是一个电感选择错误,把能量转为不必要的热能消耗的实例。

4)电阻的选择,对于一些上拉电阻,譬如上拉电压是3.3V,电阻如果从10K改成100K(满足design前提下),这也是一个好的优化。

5)LDO的选择要慎重,LDO是直接消耗能量的器件,效率比较低,这个我们在使用的时候,输入电压与输出电压直接的差越小越好(满足器件本身输出输入电压spec范围前提)。当然如果输出电流不大,在电源功耗允许的情况下,我们许多情况可以选择LDO。

6)对于一些功能性的IC,电源功耗也是我们需要特别关注的。 譬如eMMC, SSD, DDR, Audio IC, WIFI IC, Bluetooth IC, FM/AM IC等的时候,不同厂商的IC,在满足性能条件下,很多情况其内部功率的消耗也有很大的差异。举个列子,在Intel平台上,不同厂商的SSD,性能基本相同的情况下,功耗测试相差0.5W以上,这是一个很大的差异。一个优秀的设计,哪怕1个mA,有的时候都是需要争取的,譬如我曾经给一个日本客户设计一个数码产品,客户需要AM/FM radio receiver。我们当时测试了世强代理的Silicon Lab Si4730-D60-GM和R公司的IC。
FM receive mode at 3.3V power: R公司是 22mA , Si4730-D60-GM只有16mA

FM transmit mode at 3.3V power: R公司是26 mA, Si4730-D60-GM只有21 mA
其实这个电流相差不大,但是Si4730-D60-GM除了优秀的性能之外,还有很好的电源功耗设计,客户最终选择了Si4730-D60-GM。


CPU and memory等动态频率的调整或者降频,可以优化battery life,当然降低频率是在牺牲系统性能的条件下取得的。但是有的时候在满足客户某项需求的情况下,也必须使用。

对于有LCD的产品,我们对LCD亮度的控制,也是一个非常重要的环节。除了使用高效的LCD背光Power IC之外,light sensor也有一定的作用。譬如Avago的light sensor,根据环境光的变化,调整LCD的亮度,不但丰富了用户体验,也在电源功耗上得到很大的优化。

系统各个状态下电压以及系统信号+GPIO的配置与测试。在很多情况下,如果时序不对或者GPIO设置不对,会形成漏电,消耗不必要的电源,甚至降低产品的寿命。所以,主要电压,信号,GPIO的测试,可以帮我们找到电源设计出现的问题点。


譬如在各个状态下电压的测试:



譬如在各个状态下GPIO和主要信号的电平测试(只list部分信号):


这个测试非常繁琐,也需要很多的时间去优化,去检查,但是如果发现问题解决之后,它不但可以优化系统的电源功耗,也可以减少一些leakage issue,提高产品的质量和使用寿命。

以上是本人个人的一些小总结。电源功耗的优化,是要从细节抓起,一个好的设计,哪怕1mA也是非常关注的。


作者:Bati.Fan

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