高效的智能手机SD闪存供电方法

手机对存储功能的需求正在迅速增长，本文探讨了存储器的发展趋势和几种不同的SD闪存供电方法。

视频与图像内容的捕获、显示与共享功能推动着对存储器的需求不断增长。由于小型相机光学技术、高度集成化图像处理以及先进闪光技术(采用亮度渐高的LED解决方案和尺寸渐小的氙光解决方案)的出现，捕获功能正在迅速改进。纤薄且高效的触摸屏LCD、AMOLED以及超 AMOLED解决方案，结合直观方便的用户界面，让图片和视频图像的显示变得简单而生动。此外，无处不在的网络连接性、各种社交网络以及大量的可下载内容源的存在也使得共享功能加速发展。

这些技术推动手机制造商设计出图像分辨率为800万像素甚至1,200万像素的相机手机。在视频方面，拍摄性能达720p@30fps的手机也开始面市。这些都是存储器密集型应用，其内容一般存储在固态存储器中。

虽然数码相机历来需要很大的存储容量，但对手机而言，这种要求只是在近几年才变得重要起来。幸运的是，固态存储器的密度和容量在逐渐增加，其价格($/MB)和面积(mm2/MB)随之大幅降低。从图1可看出，在 2011年，NAND闪存的制造工艺几何尺寸可能突破25nm。


图1：NAND闪存技术的制造工艺几何尺寸变化趋势。

对于消费存储应用，最常见的固态存储器格式是SD闪存。目前的SD闪存基于NAND技术，有三种外形尺寸，如图2所示，分别为SD 卡、mini SD卡和 micro SD卡。尽管这三种外形尺寸产品的体积不同，但它们的接口都一样。

除了外形尺寸之外，SD存储器还可以按照容量大小来分类。标准SD卡最大可提供2GB的容量，大容量(SDHC) 卡容量在2至32GB，eXtended 容量 (SDXC)卡则高至32GB至 2TB。

此外，SD存储器有两类时钟频率。在缺省模式，存储器可以工作在0至25MHz的时钟频率下，接口速度达12.5MB/s(使用4条并行数据线)。在高速模式，存储器可以工作在0至50 MHz的时钟频率下，接口速度达25MB/s(使用4条并行数据线)。系统设计人员可以根据所需的读写速度来优化这个参数，在讨论电源考虑事项时，这一点变得十分重要。


图2：SD卡、mini SD卡和 micro SD卡的外形大小。

SD规范2.0版要求工作电压范围为2.7至3.6V，2.7V是保证性能所需的最低电压，工作电压为2.7V~3.6V都是可接受的，但如果超过3.6V，则性能无法保证，而且存储器有可能受到损害。

电源设计的另一个考虑事项是存储器的耗电量。存储器有关断、待机、读和写四种主要工作模式，处于不同的状态，耗电量也不同。对于一个给定的存储卡，读/写状态的耗电量还与读写速度有关。普通卡支持最高25MHz的时钟频率，高速卡支持最高50MHz的时钟频率。随着存储容量不断增大，为确保适当的消费者使用模式，需要更快的时钟频率。

对于低速工作的小容量SD卡，耗电量常常小于100mA。假设锂离子电池的额定工作电压为3.7V，且存储器的电源轨相当高，则线性调节器就成为SD存储器的电源选择。不过，选定的线性调节器必须能以低压降(LDO)方式工作，因为锂离子电池的有效电压范围在3.2至4.2V之间。

随着8、16和32GB 高速SD卡的面世，300 至400mA的耗电量已屡见不鲜，这些电流显著大于小容量卡的100mA水平。由于这些更大电流需求，LDO电源解决方案的功耗开始显著增加。图3为一个给SD卡提供典型2.9V电压的LDO稳压器，这里选择2.9V是因为假定LDO能确保在任何线路、负载或温度条件下的输出不低于2.7V。


图3：为SD卡提供2.9V电压的LDO 。

表1列出了图3所示LDO在300mA和400mA输出电流情况下的转换效率。计算出的LDO转换效率为 78%，故功耗分别为240mW和 320mW。

表1： LDO与 6MHz降压转换器和3MHz降压转换器的电源效率与功耗对比。


然而，许多系统设计人员都认为 320mW甚至 240mW的功耗都是不可接受的。幸运的是，现在可以采用如图4所示的开关转换器来获得更高的功率转换效率。


图4：FAN5362降压转换器实现2.9V SD卡的供电电路。

按照表1的计算，对于300mA的系统，FAN5362能把功耗降至55mW；对于 400mA的系统，FAN5362能将功耗降至101mW。这些效率值根据所测得的FAN5362效率曲线而获得。图5显示了AutoPFM (实线) 和 ForcePWM (虚线)的效率曲线。在优化FAN5362效率的同时，选择3MHz作为额定开关频率，因为它能够提供尺寸和效率之间的最佳权衡。从表1可看出，对于这种功耗敏感应用，采用6MHz开关频率时的功耗远远大于采用3MHz开关频率时的功耗。


图5：FAN5362 效率与负载电流的关系，AutoPFM为实线 ， ForcePWM为虚线。

虽然选择一个降压转换器来取代LDO似乎意义不大，但考虑到降压转换器必须能在极高占空比下工作，这就变得十分重要了。如果降压转换器的输出设定为2.9V，电池电压低到3.3V，降压转换器在88%的占空比下工作。在某些负载和输入电压条件下，降压转换器甚至会被迫停止开关，并在100%占空比下工作。若手机开始发射GSM脉冲，在低电池电压(VVBAT)情况下，这种情形会变得更加严重。GSM脉冲可能高至2A，而且在这些脉冲期间，锂离子电池的输出阻抗会使电池电压下降400mV。对LDO而言， VVBAT的突然下降是有益的，因为LDO总是工作在线性区域。但对降压转换器，情况就不同了，因为它们必须逐渐从开关状态转变为100%导通，一旦电池电压回到3.3V，就再一次回到开关状态。在这个期间，高侧器件完全导通，降压转换器的输出电压仅为VVBAT– RDS(ON) *I – DCR*I，其中RDS(ON)是高侧FET的导通阻抗，DCR是电感的串行阻抗，I是存储器负载电流。

FAN5362经过专门设计以处理上述最小过冲/下冲。此外，FET的控制机制和RDS(ON) 也经过精心设计，以确保输出电压绝不低于2.7V，甚至包括了线路和负载瞬态响应。对存储器来说，这点至关重要，因为SD规范2.0版要求工作电压范围在2.7至3.6V之间。

虽然工艺几何尺寸的进步满足了对超紧凑型、低价SD存储器的需求，但这种大容量器件也带来了功耗问题。利用专门针对这类应用而设计的降压转换器 FAN5362等产品来替代目前的LDO，可以解决这一难题。图6是完整的FAN5362功率解决方案的典型原理示意图和PCB版图。


图6：FAN5362的典型原理示意图及PCB版图。

作者：飞兆半导体 技术市场经理 Peter A. Khairolomour