便攜式產(chǎn)品方案的模擬和數(shù)字低功耗技術(shù)分析

隨著便攜式產(chǎn)品的功能日益豐富，對(duì)單電源也提出了更高的要求，電量消耗更大，電池使用壽命相應(yīng)縮短。此外，模擬或數(shù)字基帶IC處理器、中央處理器以及圖形/音頻處理器也變得越來(lái)越高級(jí)，而且集成度也越來(lái)越高。隨著產(chǎn)品功能的增多、IC的集成度提升，需要更多的電源軌，或在同樣數(shù)量的電源軌條件下需要更高的電源電流。為滿足更長(zhǎng)的電池使用壽命要求，需要采用先進(jìn)的電源管理技術(shù)，而靜態(tài)與動(dòng)態(tài)功率管理是電源管理的關(guān)鍵。

低功耗工藝與電路技術(shù)

為了解決上述設(shè)計(jì)困境，眾多技術(shù)紛紛問世，其中包括半導(dǎo)體制造工藝。用于DSP或OMAP內(nèi)核的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字IC制造技術(shù)采用90nm工藝，并且最新一代65nm工藝已經(jīng)在2005年下半年投入量產(chǎn)。每一次的工藝改進(jìn)通常都伴隨著晶體管密度的成倍增加，這不僅可使功能相當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)占用面積縮小一半，同時(shí)還能將晶體管性能提高近40%。先進(jìn)的工藝能夠大大降低內(nèi)核電源電壓需求，而電流需求不變，或者甚至更高。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。

為了滿足功耗要求并應(yīng)對(duì)低功耗設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，我們需要開發(fā)新的生產(chǎn)與工藝技術(shù)，例如德州儀器最近針對(duì)DSP與OMAP處理器推出的SmartReflex技術(shù)。利用該技術(shù)在硅IP級(jí)的靜態(tài)漏電功耗可以大幅降低1,000倍。

SmartReflex不僅可以降低整體功耗，而且還能優(yōu)化系統(tǒng)性能并延長(zhǎng)電池使用壽命。利用各種智能與自適應(yīng)軟、硬件技術(shù)，SmartReflex技術(shù)可以根據(jù)器件的活動(dòng)、工作模式以及溫度的變化動(dòng)態(tài)地控制電壓。其中包括動(dòng)態(tài)的自適應(yīng)電壓縮放、動(dòng)態(tài)電源切換以及待機(jī)漏電管理等。對(duì)于動(dòng)態(tài)電壓縮放功能，這一主題還涉及到了外部電源管理的硬件與軟件。例如，根據(jù)處理器的負(fù)載，可以調(diào)節(jié)內(nèi)核電源電壓，以滿足全部性能需求或者降低待機(jī)模式的功耗。

模擬和數(shù)字節(jié)電技術(shù)

根據(jù)所采用的系統(tǒng)，分立LDO、中或低功耗DC/DC轉(zhuǎn)換器、多通道電源管理單元(PMU)或者其他電源均可負(fù)責(zé)板級(jí)供電和處理器供電。電源管理設(shè)計(jì)可為各種處理器環(huán)境提供必要的電壓軌以及正確的電壓與電流。如果應(yīng)用切換到關(guān)閉或者進(jìn)入預(yù)定義的“節(jié)電”模式，一般情況下所有的處理器和電源管理器件都會(huì)進(jìn)入輕負(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)功耗也降至最低。在最理想的情況下，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，一旦電源管理設(shè)計(jì)完成，改變電壓軌電平的空間就會(huì)很小。

分立式低功耗降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器與高集成度多通道PMU最近已經(jīng)可以采用串行I2C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、處理器控制功能與標(biāo)準(zhǔn)串行I2C接口相結(jié)合，數(shù)字單元與模擬電源管理IC之間將能夠?qū)崿F(xiàn)前所未有的高性能信息交換。電壓、電流和功耗預(yù)算的實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)。另外，還可實(shí)現(xiàn)對(duì)電源管理及監(jiān)控的軟件控制，因而在現(xiàn)有的滿負(fù)載到系統(tǒng)待機(jī)模式之間可以存在多種省電模式。

I2C接口具有兩種不同的速度選項(xiàng)：標(biāo)準(zhǔn)的100kbps和快速的400kbps。利用分立式低功耗DC/DC轉(zhuǎn)換器或PMU，設(shè)計(jì)師現(xiàn)在可以動(dòng)態(tài)地精確調(diào)整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)核供電電壓。這種設(shè)計(jì)需要使用快速DC/DC轉(zhuǎn)換器，例如開關(guān)頻率為3MHz以上的轉(zhuǎn)換器可確?？焖傩盘?hào)的瞬態(tài)響應(yīng)。另外，低功耗DC/DC轉(zhuǎn)換器或PMU應(yīng)具備不同的工作模式(如PFM或強(qiáng)制 PFM(Forced-PFM))，以便通過自調(diào)節(jié)或通過I2C控制信號(hào)進(jìn)入某個(gè)系統(tǒng)電源配置。

圖1：TPS62350典型應(yīng)用電路

圖2：TPS65020應(yīng)用示意圖

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，因此使每種工作條件或處理器模式的功耗均實(shí)現(xiàn)最低，從而延長(zhǎng)電池使用壽命，減少器件發(fā)熱量并增強(qiáng)整體系統(tǒng)性能。

具備I2C的電源管理器件

TPS62350分立式低功耗DC/DC轉(zhuǎn)換器采用了SmartReflex技術(shù)。采用微型12球柵芯片級(jí)封裝(CSP)的該款單通道降壓轉(zhuǎn)換器可在單鋰離子電池的輸入電壓范圍內(nèi)提供高達(dá)800mA的輸出電流。利用其I2C接口可調(diào)整輸出電壓以支持最新一代的處理器，以及可以“微小步長(zhǎng)”調(diào)整電壓軌，最低到0.6V。這種可編程的DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠顯著延長(zhǎng)3G智能手機(jī)、PDA、數(shù)碼相機(jī)以及其他便攜式應(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像TPS65020這樣的器件。該器件是一款高度集成的PMU，具有六個(gè)輸出通道、三個(gè)低功耗DC/DC轉(zhuǎn)換器以及三個(gè)LDO。例如，在該器件，I2C可以動(dòng)態(tài)地調(diào)整并測(cè)量通常為處理器內(nèi)核供電的主DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。另外兩個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器可用于為I/O電源、存儲(chǔ)器或其他功能供電。此外，通過I2C也可以使不同的構(gòu)建模塊(如IC上所有三個(gè)LDO或DC/DC轉(zhuǎn)換器)在開/關(guān)之間切換，以降低整個(gè)PMU的功耗及發(fā)熱量。“關(guān)閉”不同的構(gòu)建塊也可動(dòng)態(tài)地降低靜態(tài)電流的消耗。

本文小結(jié)

除了上述省電方案之外，新的制造技術(shù)在未來(lái)將扮演重要角色。隨著工藝技術(shù)從90nm發(fā)展到65nm及更先進(jìn)的工藝，本文介紹的技術(shù)實(shí)現(xiàn)方法將變得更為重要。另外，數(shù)字信號(hào)處理器內(nèi)核及其分立模擬電源組件之間將實(shí)現(xiàn)更多的通信交互，以實(shí)現(xiàn)靈活的功率實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)與軟件控制方案。總之，這些進(jìn)步與技術(shù)方法必須良好融合才能優(yōu)化性能，并最大限度地延長(zhǎng)電池使用壽命。