便攜式多媒體設備的電源管理新思路

標簽：DSP FPGA

所有電氣和電子設備都需要某種形式的電源管理，從簡單的開關到先進的電源管理單元無不如此。電源管理的進步有目共睹，它已成為一種實用技術，將為明天的設備性能和功能提供令人激動的創(chuàng)新。有效的電源管理既可實現(xiàn)新技術，又可使最終設備個性化，而立法和標準已使電源問題成為產品開發(fā)概念階段的一個重要議題。

便攜式多媒體播放器(PMP)市場是當前發(fā)展最快的移動娛樂市場之一。根據(jù)2005年IDC的報告，截至2009年，PMP市場的銷售額將達24億美元。通過推出一些具有豐富多媒體功能的創(chuàng)新PMP產品，OEM廠商正雄心勃勃爭奪這塊市場的份額，市場形勢令人振奮。

電源管理新進展

每款PMP都存在電源方面的問題，因此電源續(xù)航能力和可更換理念對于其未來的發(fā)展具有重要意義。雖然電源系統(tǒng)性能通常不是消費者選擇便攜產品的首要因素，但電源的性能優(yōu)劣足以影響整個系統(tǒng)的質量。目前系統(tǒng)設計人員廣泛采用一些設計技巧來降低系統(tǒng)功耗，如：降低工作電壓、優(yōu)化系統(tǒng)和CPU時鐘頻率、避免上電過程中的大電流脈沖;有效地管理系統(tǒng)電池、管理系統(tǒng)工作模式;盡可能降低總線活動、總線電容和轉換噪聲等。

我們認為，PMP在處理電源管理問題時主要面臨以下幾個方面：提高器件轉換效率和降低功耗;使器件的封裝更小;提高電源管理芯片與系統(tǒng)的集成度，降低系統(tǒng)整體功耗;符合環(huán)保要求，具有極高的能源效益。下面我們將從四個層次來解讀目前便攜式電子產品的電源管理新方法：先進的半導體工藝與封裝技術、系統(tǒng)考慮用電需求、管理負載用電、數(shù)字管理和控制。

電源管理IC供應商目前主要利用先進的半導體工藝來提高轉換效率。如美國國家半導體采用低電壓低功耗CMOS工藝來減小靜態(tài)電流，提高轉換效率。在減小器件體積方面，主要是進一步提高集成度和采用更先進的封裝技術，如CSP、LLP和Micro SMD等等。如今封裝技術的發(fā)展重點有三方面：封裝越來越小，封裝芯片已基本可接近裸片的大小;封裝的厚度不斷減小;I/O密度不斷提高。

便攜產品電源管理技術的另一個趨勢是朝著電源管理與系統(tǒng)整合的方向發(fā)展。長期以來，處理器供應商及電源管理芯片廠商都各自開發(fā)自己的技術，但傳統(tǒng)技術的改進始終有其局限性，電池能量的利用效率幾乎已達到了極限，未來的提升幅度不大。要在效率方面尋求新的突破，就必須改變傳統(tǒng)的思路，采用全新的方法，全面考慮整個系統(tǒng)的用電要求，以智能型電源管理芯片來管理系統(tǒng)的性能及功耗。

人們通常以為，所謂電源管理就是利用最有效率而又最具成本效益的方法將電源供電饋送到有關的負載。其實，未來電源管理技術的發(fā)展將逐漸轉向管理負載用電。也就是將負載的特性進行劃分，將電子系統(tǒng)視為信號路徑，其中的電路(無論是分立式還是內置式)分別負責不同的工作，例如信號的放大、轉換及處理。在這個過程中，不同的電路有不同的供電要求，例如部分電路雖然執(zhí)行不同的工作，但其中所耗用的電量相同;而在另一些電路中，不同工作的耗電量則各不相同。這些不同的要求為半導體產品提供一個可以充分發(fā)揮其所長的絕佳機會，電源管理芯片也因此成為電子產品最重要的元件之一。因此，采用“動態(tài)供電”技術，即根據(jù)系統(tǒng)負載的變化對供電做出相應調整，即可將不同狀態(tài)的功耗降至最低。實現(xiàn)“動態(tài)供電”需要處理器與電源管理器件相互配合。

數(shù)字管理和控制是電源管理的新思路。由于分布式電源結構中有若干復雜的負載，且在高檔消費產品中日漸增加，因此先進電源管理技術需求日漸旺盛。諸如DSP、FPGA和微控制器等復雜負載經常有一個以上的電源通道。由于摩爾定律的推動，中央內核或DSP一直在追逐降低電壓。I/O電路或通信接口則需要標準的更高的電壓通道運行。當內核電壓下降到1V以下時，器件的泄漏電流就會增加。為了減少泄漏電流，先進的圖形和DSP普遍采用了增加一個負電壓偏置的底層偏置電路。一旦系統(tǒng)的電源通道達到6個以上，就必須注意這些通道對可靠運行所需的時序和控制問題。

數(shù)字電源控制，也稱為“回路內部的處理器”則是一個完全不同的問題。它必須對兩個數(shù)字串進行比較以產生脈沖寬度來驅動電源開關，而不是使用傳統(tǒng)模擬PWM比較器的方法。這種適用技術可用于負載時間恒定的應用中，使電源運行在100kHz以下，例如功率因數(shù)校正、非中斷電源、多個化學電池充電和電機控制;還可用于采用若干可配置的PWM內核及控制、診斷和接口電路的手機和PDA的PMU等其他應用。運行時間控制電路中的子電路或外設可為其電流狀態(tài)提供最適宜的運行電壓，以節(jié)省能量，數(shù)字電源控制可使調節(jié)器更加靈敏和靈活。

數(shù)字控制的電源管理案例

目前PMP比較常見的功能包括：MPEG4播放、電視節(jié)目錄制、MP3/WMA音頻播放、錄音、圖片顯示、游戲和存儲功能(HDD/CF/SD)等。電源是整個系統(tǒng)穩(wěn)定的根源，功耗則是PMP的敏感問題，所以在選擇芯片的時候就要考慮這一點。過去幾年里，電源管理器件供應商一直在開發(fā)能夠滿足多方面需求的單片解決方案。這樣不僅可減少IC數(shù)量，還可省去支持這些IC的分立器件，降低產品成本，減小產品體積。

美國國家半導體推出的業(yè)界第一款采用數(shù)字技術控制的PowerWise電源管理單元(EMU)LP5550芯片不但可以支持自適應電壓調節(jié)功能，有助于延長電池壽命，還可支持更多新的功能。電池供電的便攜產品只要采用這款高度集成的電源管理芯片，即可減少數(shù)字處理器的功耗。該芯片可與國半的先進功率控制器及ARM公司的智能電源管理(IEM)技術一起使用，將數(shù)字處理器核心的功耗降低70%。其先進功率控制器也可支持兩家公司為業(yè)界制定的開放式PowerWise接口(PWI)標準。

除了在硬件設計中考慮功耗，軟件設計中同樣需要。硬件設計好以后，一般來說功耗就定下來了，但是利用芯片的可編程性可以盡可能地降低系統(tǒng)功耗，在提供最佳效果的同時，利用軟件調節(jié)獲得最長的待機和播放時間。方法之一是在待機時讓芯片進入低功耗模式。