降低便攜式應(yīng)用的功耗

無線手持終端設(shè)備、智能電話、PDA 以及媒體播放器等新一代便攜式消費(fèi)類電子產(chǎn)品均具有更多的特性和更高的性能，通常其尺寸也變得更小巧。由于這些最新的特性，這些設(shè)備均要求極高的功耗。

相關(guān)示例數(shù)不勝數(shù)，如具有分辨率超過 300 萬象素、高功率閃光燈 LED 或氙閃光管的相機(jī)、高級(jí)音頻或揚(yáng)聲器功能，以及具有便攜式高分辨率 LCD-TV 顯示屏的無線電話。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電源要求向設(shè)計(jì)人員提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因此對(duì)其進(jìn)行有效地管理至關(guān)重要。隨著便攜式產(chǎn)品的功能日益豐富，應(yīng)用很快對(duì)單電源也提出了更高的要求，從而導(dǎo)致電池使用壽命相應(yīng)縮短。

另外，模擬與數(shù)字基帶 IC 處理器單元、中央處理器主機(jī)以及圖像和音頻處理器等，無論在先進(jìn)性還是在集成度方面都在不斷提升。隨著產(chǎn)品功能的增多，IC 的集成度也隨之提升，因此需要更多的電源軌，或在同樣數(shù)量的電源軌上施加更高的電源電流。

大多數(shù)便攜式消費(fèi)類產(chǎn)品均使用標(biāo)準(zhǔn)的高性能鋰離子電池（通常為單電池配置）。鑒于有限的電池電量，廠商不得不針對(duì)下列兩種情況中做出決斷：要么以較短的電池使用壽命為代價(jià)為用戶提供功能豐富的應(yīng)用，要么犧牲應(yīng)用的功能豐富性而確保較長(zhǎng)的電池使用壽命。但當(dāng)今的消費(fèi)者既希望獲得高端產(chǎn)品，同時(shí)又要求電池具備超長(zhǎng)使用壽命。

解決便攜式設(shè)備的功耗難題

為了解決上述設(shè)計(jì)難題，眾多技術(shù)紛紛問世。為了滿足處理器的需要，IC 廠商率先降低了給定性能水平的功耗。DSP 或 OMAP 內(nèi)核標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)字 IC 制造技術(shù)采用 90nm 工藝。

自 2005 年末開始，最新一代 65nm 工藝就已經(jīng)投入了量產(chǎn)。通過“壓縮”，晶體管的密度通常會(huì)翻一番。這種技術(shù)將相同設(shè)計(jì)的尺寸壓縮至原來的一半，并將晶體管的性能比原來提高了大約 40%。這種技術(shù)大大降低了內(nèi)核電源電壓需求，而電流要求不變或更高。但是另一方面，漏電功耗顯著增高也會(huì)進(jìn)一步降低性能。

其它一些降低功耗的方法（模數(shù)集成電路的非制造技術(shù)），包括多種低功耗模式、時(shí)鐘門控、動(dòng)態(tài)電壓以及頻率調(diào)節(jié)。這些技術(shù)在設(shè)計(jì)中起著很重要的作用。為了滿足功耗和降低功耗的要求，需要開發(fā)出新型制造和工藝技術(shù)。一種被應(yīng)用于 DSP 和 OMAP 處理器的稱為 SmartReflex 的新方法，就是一個(gè)很好的例子。

在硅芯片－IP 級(jí)，靜態(tài)漏電功耗被大大降低了 1000 倍。在一個(gè)電源管理單元庫(kù)實(shí)現(xiàn)分區(qū)設(shè)備電源域微粒方法 (granular approach) 的同時(shí)，對(duì)不同集成電路和系統(tǒng)構(gòu)建塊的功耗和性能進(jìn)行了協(xié)調(diào)。

該方法不但降低了總體功耗，優(yōu)化了系統(tǒng)性能，而且還延長(zhǎng)了電池的使用壽命。憑借廣泛的智能與自適應(yīng)軟硬件技術(shù)，SmartReflex 技術(shù)可以根據(jù)器件活動(dòng)、工作模式和溫度的變化，對(duì)電壓、頻率和功耗進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。

SmartReflex 技術(shù)包括動(dòng)態(tài)及自適應(yīng)電壓縮放、動(dòng)態(tài)電源切換以及待機(jī)漏電管理。動(dòng)態(tài)電壓縮放通常會(huì)涉及到外部電源管理器件和軟件。

例如，根據(jù)于處理器負(fù)載的要求，可以調(diào)節(jié)內(nèi)核電源電壓，以滿足全部性能運(yùn)行的需要或在待機(jī)模式下的節(jié)電模式。分立低壓降 (LDO)、中低功耗 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、多通道電源管理單元 (PMU) 或其它電源均可為電路板和處理器供電（具體取決于系統(tǒng)的要求）。

電源管理設(shè)計(jì)提供了所有處理器情況下的必要電壓軌以及正確的電壓和電流。如果應(yīng)用被關(guān)閉，或被切換到預(yù)定義節(jié)電模式，那么所有處理器和電源管理器件通常都會(huì)進(jìn)入一個(gè)輕負(fù)載或待機(jī)模式。

因此，當(dāng)前電壓電平將會(huì)進(jìn)一步降低，同時(shí)電流消耗也降至最小。在理想的情況下，每個(gè) IC 僅消耗幾 μA 的電流。到目前為止，上述情況均為靜態(tài)模式。一旦完成電源管理設(shè)計(jì)，那么幾乎就無法改變電壓軌電平。

最近，分立低功耗降壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和高度集成的多通道電源管理單元已經(jīng)可以采用 I2C 串行總線。隨著串行接口在分立電源管理器件中得到使用，對(duì)電源電壓提供了新的影響途徑。

通過將軟件工具和處理器控制功能與一個(gè)串行標(biāo)準(zhǔn) I2C 接口相組合，數(shù)字與模擬電源管理芯片之間的信息可以更高的性能級(jí)別進(jìn)行交換。

電壓、電流和功耗預(yù)算的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)已成為現(xiàn)實(shí)；此外，還可以實(shí)現(xiàn)電源管理和監(jiān)控的軟件控制，因而在現(xiàn)有滿負(fù)載和系統(tǒng)待機(jī)模式之間可以實(shí)現(xiàn)多種節(jié)電模式。

動(dòng)態(tài)電壓縮放。I2C 接口具有兩種不同的速度選擇：標(biāo)準(zhǔn)的 100 Kbps 和快速 400Kbps。在分立低功耗 DC/DC 轉(zhuǎn)換器或電源管理單元中實(shí)施動(dòng)態(tài)電壓縮放，設(shè)計(jì)人員可以動(dòng)態(tài)并精確地改變分立電源管理器件的輸出電壓，進(jìn)而調(diào)整任何處理器單元的內(nèi)核電源電壓。

這種設(shè)計(jì)要求使用快速 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。例如，3 MHz 或者更高轉(zhuǎn)換頻率的轉(zhuǎn)換器（見下圖 1）可以保證快速信號(hào)瞬態(tài)響應(yīng)。

圖 1：I2C 可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整并調(diào)節(jié)主 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓

此外，低功耗 DC/DC 轉(zhuǎn)換器或電源管理單元應(yīng)具有不同的工作模式，例如，PFM 或強(qiáng)制脈沖頻率調(diào)制，以允許它們對(duì)自身進(jìn)行調(diào)節(jié)或通過I2C控制信號(hào)進(jìn)入某個(gè)系統(tǒng)的電源配置。

該設(shè)計(jì)可在不犧牲整體性能的情況下精確滿足系統(tǒng)性能需求。因此，每一種工作狀態(tài)或處理器模式都實(shí)現(xiàn)了最低功耗模式，從而延長(zhǎng)了電池的使用壽命，減少了各器件的散熱量，并提高了整體系統(tǒng)性能。

降低功耗。在本例中，分立低功耗 DC/DC 轉(zhuǎn)換器 TPS62350采用了 SmartReflex 技術(shù)。采用微型 12 球柵芯片級(jí)封裝的該單通道降壓轉(zhuǎn)換器提供了高達(dá) 800mA 的輸出電流，超出了效率為 95% 的單體鋰離子電池的輸入電壓范圍。利用 I2C 接口，可對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，以支持處理器并可以“微小步長(zhǎng) (tiny step)”調(diào)整電壓軌，最低到 0.6V。

這種可編程 DC/DC 轉(zhuǎn)換器有助于延長(zhǎng) 3G智能電話、PDA、數(shù)碼相機(jī)以及其它便攜式應(yīng)用的電池使用壽命。

借助 I2C 接口降低功耗的另一種方法是采用諸如 TPS65020這樣的器件（參見下圖 2）。這是一款高度集成的 PMU，其具有六個(gè)輸出通道、三個(gè)低功耗、效率高達(dá) 97% 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以及三個(gè) LDO。

圖 2：TPS62350 單通道降壓轉(zhuǎn)換器提供了高達(dá) 800mA 的輸出電流，超出了單體鋰離子電池的輸入電壓范圍

在該器件中，I2C能夠動(dòng)態(tài)地調(diào)整和調(diào)節(jié)通常為處理器內(nèi)核供電的主 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。另外兩種 DC/DC 轉(zhuǎn)換器可以用于 I/O 電源、存儲(chǔ)器或其它功能供電。不同的構(gòu)建塊（如該 IC 所有這三個(gè) LDO 或 DC/DC 轉(zhuǎn)換器）在 I2C 接口的幫助下，都可以被關(guān)閉/開啟以降低整個(gè) PMU 的功耗和散熱量。關(guān)閉不同模塊還可以降低靜態(tài)電流消耗。

除已討論的節(jié)電方法以外，新型制造技術(shù)在未來將發(fā)揮重要的作用。隨著工藝技術(shù)從 90nm 發(fā)展到 65nm 甚至更小，這里所討論的技術(shù)實(shí)施將會(huì)變得更加重要。

在 DSP 內(nèi)核及其分立模擬電源組件之間的通信將會(huì)增加，以實(shí)現(xiàn)靈活實(shí)時(shí)的功耗調(diào)節(jié)及軟件控制的功耗方案?？傊羞@些改進(jìn)和方法必須很好地配合使用，才能實(shí)現(xiàn)性能的優(yōu)化，并最大限度地延長(zhǎng)電池使用壽命，以此來使消費(fèi)者受益。