便攜式設備中電源的工程學設計相關理論

為產品提供移動性能夠帶來額外的收益，并且可以開辟既有應用之外的新興市場。便攜式超聲設備市場就是一個很好的例子。至今，超聲波圖像檢查還是需要到診所才可以完成。在大多數發(fā)達國家，這通常不是問題。然而在一些偏遠的村鎮(zhèn)，如果能夠將設備直接運送到患者身邊，將極大地改善當地的醫(yī)療環(huán)境。在設計移動設備時，對重量、尺寸和操作時間的權衡取舍是挑戰(zhàn)性極強的工作。當常規(guī)功率轉換效率超過90%時，許多工程師會選擇重新設計電路板，力求從不同的功能角度尋求更大的效率改進空間，從而降低整體功耗。

　　低果先摘

　　一般來說，尋找功率增益的機會應該從最明顯或者最容易的地方入手。當功率轉換效率介于60%～75%之間時，最大的功率增益首先來自于由線性穩(wěn)壓器向開關穩(wěn)壓器的轉換，這將極大地提高系統(tǒng)的整體效率。如今，集成的高效開關穩(wěn)壓器已面市，工程師必須在功率轉換之外尋求新的突破。

　　尺寸、重量、散熱與成本都是移動市場的驅動因素，這些因素往往會對決策過程產生影響。目前，電池是系統(tǒng)中的薄弱環(huán)節(jié)，還無法跟上半導體工藝流程技術的發(fā)展速度。隨著現代電源能效的不斷提高，減少功率損耗的下一個機遇將來自于系統(tǒng)結構本身。最近幾年，英特爾和其他CPU制造商逐漸意識到加快CPU的運行速度也許并不是提高性能的最好辦法。他們面臨的主要問題是處理器的發(fā)熱量以及外圍設備的動態(tài)要求。逐步遷移至多核架構，并且提供支持多核的操作系統(tǒng)，將能夠實現更為明顯的性能增益(同時降低功耗)。

　　就像CPU的供應商不再通過改變兆赫數字來改進性能一樣，移動產品的設計者也應當重新審視相關功能的實現途徑。模擬數字轉換（ADC）就是這樣一個開始在架構方面產生改變的領域。例如，美國國家半導體創(chuàng)造性地采用了集成折疊轉換器，不僅極大地提高了運行速度（每秒千兆次采樣），而且在運行過程中最大限度地降低了能源消耗。傳統(tǒng)的閃存型轉換器受到比較器最大集成數量的限制，一個閃存數模轉換器中比較器的數量是輸出位數的函數（2n位）。例如，一個10位閃存數模轉換器將需要1 024個比較器，外加溫度計碼至格雷碼至二進制的轉換電路和一個高精度統(tǒng)一梯形電阻分壓器。

　　折疊轉換器基于完全不同的設計方法，采用少量的比較器（通常為32～64個），并將輸入信號范圍進行“折疊”，使之始終處于比較器網絡限值之內，如圖1所示。此處的技巧是對由折疊過程引入的積分和差分非線性進行補償。這樣的結構代表了解決這種棘手問題的全新思路，并且極大地降低了實現這一功能所需的能源消耗。對于一個每秒千兆次采樣的雙10位轉換器(PowerWise ADC10D1000)來說，這種方法可以將功耗從幾十瓦降低至三瓦。這是在便攜成像、雷達和軟件無線電系統(tǒng)中普遍采用的節(jié)約功率的手段。

　　數字功率架構

　　在大型ASIC或者SoIC設計中，架構也同樣重要。即使在縮減工藝流程的幾何尺寸時，CMOS晶體管相關的動態(tài)和靜態(tài)損失也是一個經常遇到的問題。CMOS的能源消耗公式如下：

E=(aCfCLKV2+VILEAK)×tTASK

　　其中包含了一個與頻率相關的動態(tài)項和一個靜態(tài)漏電流項。當工藝尺寸不斷縮減時，這兩項參數都會出現問題。電容負載和貫穿電流將會減小，但是芯片上的元件數量將會增加，由此造成了每個芯片上面更高的動態(tài)功率消耗。由次閾值漏電流、漏源擴展漏電流和電子隧穿引起的靜態(tài)損失，以及漏極引發(fā)勢壘下降（DIBL）等短溝道效應日益成為大型數字ASIC設計中的嚴重問題。

　　當設計大型數字系統(tǒng)時，必須在整個運行過程中正確地設定時序，包括供給電壓、工序和溫度波動。這樣的設計瓶頸使得功率消耗處于最差的水平，即使在適當的溫度或者更快的工序中也是如此，設備仍將消耗同樣的能源。一種解決辦法是改變設計結構，使其適應于設備的環(huán)境。自適應電壓調節(jié)（AVS）正是實現此目的的一種技術。

　　AVS集成了一個數字子系統(tǒng)，可以監(jiān)測設備的運行狀況(它與應用數字邏輯同步)，動態(tài)調整芯片內部不同電壓島的供給電壓。當性能要求發(fā)生變化時，芯片內部的AVS邏輯會向外部的功率管理裝置發(fā)送更新信號，該裝置稱為能源管理單元EMU，功能是升高或者降低電壓島的供給電壓。動態(tài)項是供給電壓的平方函數，因此可以提供最大的增益改進。即使靜態(tài)項只是供給電壓的線性函數，漏電流的減小仍然可以顯著地降低能耗。

　　出于盡可能節(jié)約能源的目的，設計結構再次顯現出它的重要性。為了使AVS或者其他電壓調整技術最大限度地發(fā)揮功效，系統(tǒng)設計者必須重新考慮功能區(qū)域的劃分，提供彼此分離的電壓島和頻率區(qū)間。如果已有的設計中利用一個單獨的電壓源向所有核心邏輯供電，那么新的低功率設計中就應采取多個電壓島，這里的時鐘區(qū)間將成為動態(tài)要求的限制因素。而且，基于較慢時序的原因，這些電壓島可以利用電壓調整技術或者簡單地采用更低的核心電壓。

　　人們對于便攜性的需求越來越高，尤其是在醫(yī)療、通信和軍事防衛(wèi)領域。工程師需要考慮功率轉換器之外的解決方案，以尋求更大的系統(tǒng)效率增益。從系統(tǒng)架構方面來看，有時采取創(chuàng)新的手段來實現某些功能——特別是當常規(guī)的功率轉換器效率處于90%以上的水平時，往往可以帶來巨大的效率改進。電源技術最終將趕上工藝流程和IC設計方面的技術進展，然而在工程師擁有更高的能源密度之前，系統(tǒng)效率依然是延長工作時間和降低熱消耗的解決方案之一。