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、高級音頻或揚聲器功能，以及具有便攜式高分辨率 LCD-TV 顯示屏的無線電話。靜態(tài)和動態(tài)電源要求向設(shè)計人員提出了嚴峻的挑戰(zhàn)，因此對其進行有效地管理至關(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、中央處理器主機以及圖像和音頻處理器等，無論在先進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)便攜式消費類產(chǎn)品均使用標準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的電池使用壽命。但當(dāng)今的消費者既希望獲得高端產(chǎn)品，同時又要求電池具備超長使用壽命。

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)核標準的數(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翻一番。這種技術(shù)將相同設(shè)計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進一步降低性能。

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、時鐘門控、動態(tài)電壓以及頻率調(diào)節(jié)。這些技術(shù)在設(shè)計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，就是一個很好的例子。

在硅芯片－IP 級，靜態(tài)漏電功耗被大大降低了 1000 倍。在一個電源管理單元庫實現(xiàn)分區(qū)設(shè)備電源域微粒方法 (granular approach) 的同時，對不同集成電路和系統(tǒng)構(gòu)建塊的功耗和性能進行了協(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、工作模式和溫度的變化，對電壓、頻率和功耗進行動態(tài)控制。

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

例如，根據(jù)于處理器負載的要求，可以調(diào)節(jié)內(nèi)核電源電壓，以滿足全部性能運行的需要或在待機模式下的節(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進入一個輕負載或待機模式。

因此，當(dāng)前電壓電平將會進一步降低，同時電流消耗也降至最小。在理想的情況下，每個 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，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串行標準 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別進行交換。

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

動態(tài)電壓縮放。I2C 接口具有兩種不同的速度選擇：標準的 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施動態(tài)電壓縮放，設(shè)計人員可以動態(tài)并精確地改變分立電源管理器件的輸出電壓，進而調(diào)整任何處理器單元的內(nèi)核電源電壓。

這種設(shè)計要求使用快速 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）可以保證快速信號瞬態(tài)響應(yīng)。

圖 1：I2C 可以動態(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 或強制脈沖頻率調(diào)制，以允許它們對自身進行調(diào)節(jié)或通過I2C控制信號進入某個系統(tǒng)的電源配置。

該設(shè)計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)或處理器模式都實現(xiàn)了最低功耗模式，從而延長了電池的使用壽命，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 球柵芯片級封裝的該單通道降壓轉(zhuǎn)換器提供了高達 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，可對輸出電壓進行調(diào)節(jié)，以支持處理器并可以“微小步長 (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 3G智能電話、PDA、數(shù)碼相機以及其它便攜式應(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，其具有六個輸出通道、三個低功耗、效率高達 97% 的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器，以及三個 LDO。

圖 2：TPS62350 單通道降壓轉(zhuǎn)換器提供了高達 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、存儲器或其它功能供電。不同的構(gòu)建塊（如該 IC 所有這三個 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 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)實施將會變得更加重要。

在 DSP 內(nèi)核及其分立模擬電源組件之間的通信將會增加，以實現(xiàn)靈活實時的功耗調(diào)節(jié)及軟件控制的功耗方案?？傊?，所有這些改進和方法必須很好地配合使用，才能實現(xiàn)性能的優(yōu)化，并最大限度地延長電池使用壽命，以此來使消費者受益。