便攜應(yīng)用的電源管理挑戰(zhàn)

螺旋能源成本以及全球變暖等環(huán)境問題意識的提高，為半導(dǎo)體行業(yè)的能效發(fā)展帶來全新的機(jī)遇。當(dāng)今市場上大多數(shù)電子設(shè)備的電池使用時間基本都無法滿足性能需求。由于廣大消費(fèi)者喜歡更具移動性的生活方式，因此對于電源管理 IC 的需求便隨之增長。我們非常需要一些能夠有效控制汽車系統(tǒng)從而降低電子輻射并且讓其他有助于我們降低日常功耗的消費(fèi)類產(chǎn)品獲得更長使用時間的芯片。

便攜消費(fèi)類電子設(shè)備制造廠商們一直以來都面臨的挑戰(zhàn)是研制高成本效益、高性能、多功能且具有更長電池使用時間的解決方案。廠商還不得不縮短開發(fā)時間，以在市場上率先推出新的產(chǎn)品。開發(fā)出具有嵌入式迷你 DSP 的超低功耗編解碼器和強(qiáng)大的圖形編程工具以后，廠商們便可以滿足各種復(fù)雜的要求。許多新一代超低功耗編解碼器在低功耗運(yùn)行模式下可以通過一個單 1.5V 到 1.8V 電源運(yùn)行模擬和數(shù)字內(nèi)核。例如，一些音頻應(yīng)用中，通過在 1.26V 低壓（上網(wǎng)本可低至 0.6V 到 0.7V）下運(yùn)行數(shù)字內(nèi)核，降低功耗是有可能的。

盡管許多設(shè)備都有低功耗運(yùn)行模式，但是附加功耗調(diào)節(jié)選項(xiàng)讓設(shè)計人員可以根據(jù)單個配置和處理選項(xiàng)來自定義其功耗。這樣便允許設(shè)計人員根據(jù)輸入及輸出通道、輸出驅(qū)動要求、采樣率、輸入和輸出的理想SNR性能以及所使用的處理特性來動態(tài)優(yōu)化功耗調(diào)節(jié)，以達(dá)到最小化功耗的目的。功耗調(diào)節(jié)可帶來便攜音視頻設(shè)備電池使用時間的巨大差異。將超低功耗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和低功耗信號處理集成到一塊芯片中，可在那些包括應(yīng)用處理器和編解碼器的傳統(tǒng)系統(tǒng)構(gòu)架中帶來意義重大的低功耗實(shí)現(xiàn)可能性。這些構(gòu)架中，超低功耗編解碼器可以實(shí)現(xiàn)應(yīng)用處理器的某些或者所有音頻處理功能。實(shí)現(xiàn)更長電池使用時間的許多強(qiáng)大工具之一便是具有嵌入式迷你DSP的超低功耗編解碼器。這些器件及其強(qiáng)大的圖形編程工具為許多便攜式音頻處理和通信系統(tǒng)構(gòu)架提供低功耗音頻解決方案。

在不久的將來，我們將會擁有許多可以工作一整天而無需充電的上網(wǎng)本和筆記本電腦。在便攜產(chǎn)品功能設(shè)計方面大概存在三種挑戰(zhàn)：理解全部系統(tǒng)功耗預(yù)算；設(shè)計高效的功耗轉(zhuǎn)換器和控制器以便最小化損耗；以及交互式地管理系統(tǒng)的功耗要求。

便攜消費(fèi)類電子市場競爭激烈，并且發(fā)展迅速?？焖偈袌鐾斗藕统凸淖審S商們可以在開發(fā)出差異化產(chǎn)品的同時縮短其設(shè)計周期。新一代便攜式消費(fèi)類設(shè)備（例如：無線耳機(jī)、智能電話、PDA 和媒體播放器等）以擁有更多功能、更高性能級別和更小的解決方案尺寸為傲。由于其最新的一些特性，這些設(shè)備無一例外地都需要極大的功耗。例子包括：3 百萬或者更高像素分辨率的相機(jī)、高功耗閃光燈 LED 或者氙氣燈、高級音頻和揚(yáng)聲器功能、具有高分辨率 LCD-TV 顯示器的 GPS 和電話等。廣大設(shè)計人員均面臨靜態(tài)和動態(tài)功耗要求的挑戰(zhàn)。隨著便攜式設(shè)備變得越來越多功能，功耗要求也快速增加。結(jié)果，電池使用時間變得越來越短。

隨著 IC 的集成度變得越來越高以及功能的增加，需要更多的電源軌，或者相同電源軌要求更高的電源電流。大多數(shù)便攜式消費(fèi)類應(yīng)用都使用標(biāo)準(zhǔn)高性能鋰離子電池（一般為單節(jié)電池配置）。這種限定電量的情況下，廠商們必須要知道消費(fèi)者是否喜歡更短電池使用時間的多功能應(yīng)用，或者對功能數(shù)量及其應(yīng)用的功能要求進(jìn)行控制。今天的消費(fèi)者想要長電池使用時間的高端設(shè)備。為了打破便攜設(shè)備功耗的困局，我們使用了許多技術(shù)方法。要滿足處理器的功能需求，IC 廠商們帶頭降低特定性能級別的功耗。滿足功耗要求和應(yīng)對低功耗挑戰(zhàn)，需要開發(fā)新的處理技術(shù)。例如，一種被稱為SmartReflex的方法，用于 DSP 和 TI 的 OMAP 處理器。它可以降低總功耗，優(yōu)化系統(tǒng)性能，并增加電池使用時間。利用許多智能和自適應(yīng)軟硬件方法，它可以根據(jù)設(shè)備活動、運(yùn)行模式和溫度動態(tài)地控制電壓、頻率和功耗。電源管理設(shè)計提供必要的電壓軌，并根據(jù)處理器需求調(diào)節(jié)電壓和電流。如果應(yīng)用關(guān)閉或者處于預(yù)定義功耗"省電"模式，則所有處理器和電源管理器件一般使用輕負(fù)載或者待機(jī)模式。這樣，電流電壓水平降低，同時電流消耗降至最低。不同運(yùn)行狀態(tài)下，IC 本身將消耗盡可能少的電流，低至幾微安。一旦完成便攜式設(shè)備設(shè)計，便幾乎沒有什么可以影響電壓軌層了。

集成電源管理器件的一些串行接口帶來一些新的影響層。另外，可以實(shí)現(xiàn)軟件控制電源管理和監(jiān)控，并且可在現(xiàn)有全負(fù)載和系統(tǒng)待機(jī)模式之間使用多種省電模式。使用I2C接口的動態(tài)電壓調(diào)節(jié) (DVS) 具有兩種不同的速度選項(xiàng)：標(biāo)準(zhǔn)100kbps和快速400kbps。在離散式低功耗DC/DC轉(zhuǎn)換器或電源管理單元中使用這種方法以后，設(shè)計人員可以動態(tài)、精確地影響電源管理器件的輸出電壓，并調(diào)節(jié)所有處理器單元的內(nèi)核電源電壓。這種設(shè)計讓系統(tǒng)可以滿足精確的性能要求，無需犧牲整體性能。因此，最低功耗用于處理器模式的每種運(yùn)行狀態(tài)，從而延長電池、降低每器件散熱，并提高總系統(tǒng)性能。可編程DC/DC轉(zhuǎn)換器幫助延長3G智能電話、PDA、數(shù)碼照相機(jī)和其他便攜式應(yīng)用的電池使用時間。使用I2C接口降低功耗的另一種方法是使用一些更復(fù)雜的器件，例如：TPS65020等。它是一種高集成PMU，具有六條輸出通道、三個低功能DC/DC轉(zhuǎn)換器（擁有高達(dá)97%的效率）以及三個LDO。不同的構(gòu)件（例如這種IC的所有三個LDO或DC/DC轉(zhuǎn)換器），可以通過I2C來關(guān)閉/開啟，以降低全部PMU的功耗和散熱量。

關(guān)閉不同構(gòu)件，還可降低靜態(tài)電流消耗。除已經(jīng)討論過的一些功耗節(jié)省方案以外，新的制造技術(shù)將在未來起關(guān)鍵作用。DSP內(nèi)核及其離散模擬功耗元件之間的通信量將增加，以允許靈活的導(dǎo)通時間功耗調(diào)節(jié)和軟件控制功耗方案。所有這些改進(jìn)和方法必須一起協(xié)調(diào)工作，來優(yōu)化性能和最大化電池使用時間，以讓消費(fèi)者獲益。

未來，廣大消費(fèi)者將需要通過更小、更輕的便攜式設(shè)備獲得高質(zhì)量的移動視頻/音頻娛樂，而這些設(shè)備要求更多的功能和更高密度的存儲，從而推動半導(dǎo)體廠商們考慮使用新的設(shè)計和制造解決方案。我們不僅僅必須要改變我們所做的，而且要改變我們做事情的方式。只需清楚地了解我們的處境以及我們怎會處在這樣的處境中，我們才能找到一條通過未來的正確道路。認(rèn)識到?jīng)]有解決高功耗需求問題的良方這一點(diǎn)很重要。反之，應(yīng)將努力方向集中于那些能夠幫助系統(tǒng)設(shè)計人員理解性能和功耗含義的工具上面來?，F(xiàn)在該提供一種系統(tǒng)級解決方案，而非一種元件級解決方案，而 TI 獨(dú)有能夠滿足這種市場需求的優(yōu)勢。