采用動態(tài)電源管理的移動終端設計

　　由于便攜式電池技術(shù)在近期較難出現(xiàn)較大的突破，所以在系統(tǒng)設計中可以采用一些設計技巧來降低系統(tǒng)功耗，如優(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)電池運轉(zhuǎn)，有效地管理系統(tǒng)設備的工作模式，盡可能降低總線活動，降低總線電容，降低轉(zhuǎn)換噪聲等。

　　系統(tǒng)解決方案

　　系統(tǒng)架構(gòu)與集成

　　電源管理是整個移動終端系統(tǒng)的基礎(chǔ)，這部分的穩(wěn)定工作對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定工作起著至關(guān)重要的作用。解決高性能與低功耗對立矛盾的方法之一是讓處理器根據(jù)當前的工作負荷運行在不同的性能水平上。例如，播放MPEG視頻比播放MP3音頻需要更高的性能。因此，處理器播放MP3時可以運行在更低的頻率下，但仍能獲得高質(zhì)量的精確回放效果。降低功耗是每個便攜式產(chǎn)品開發(fā)人員的設計目標之一，但功耗不僅僅與硬件設計有關(guān)，控制軟件也會對產(chǎn)品的功耗產(chǎn)生很大影響。不管是操作系統(tǒng)、BIOS控制程序還是外設驅(qū)動程序，這些軟件編寫的方式?jīng)Q定了最終產(chǎn)品的功耗水平，因此在開發(fā)時必須加以考慮。

　　目前的高速移動終端大都增加了視頻監(jiān)控及顯示模塊，其輸入/輸出裝置都采用粗大的高速并行接口作為互連線路，連接基帶處理器、應用程序處理器及影像處理器。因此，可以采用串行接口縮小產(chǎn)品體積，精簡機械設計，降低系統(tǒng)功率，減少電磁干擾，并削減系統(tǒng)成本。本移動終端系統(tǒng)及其電源管理模式如圖1所示，它整合了模擬基帶處理和電源管理芯片，將完整芯片組與應用處理器的模擬與電源管理功能集成到一個器件中，從而降低了板級要求、減少了芯片數(shù)目及開發(fā)成本。系統(tǒng)中的射頻無線部分，在需要重要低噪聲效能時采用低壓降穩(wěn)壓器(LDO)，而降壓式直流-直流轉(zhuǎn)換器(DC-DC)則應用在新一代發(fā)送功率放大器的電源上以取得更長的電池使用時間。

圖1 移動終端系統(tǒng)及其電源管理模式

　　供電部分是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，這一部分作用非常重要，供電系統(tǒng)與耗電系統(tǒng)必須有緊密的聯(lián)系，可以互相通信，這樣才可大幅節(jié)省電能。如果系統(tǒng)各個元器件沒有質(zhì)量問題，在焊接完成后就可以加電進行測試，所需要的工具和儀器儀表只要烙鐵、焊錫絲、數(shù)字萬用表就可以了。在焊接前，首先用萬用表測量最終的電壓輸出端和地有無短路現(xiàn)象，沒有才能進行焊接，目前許多制造PCB的廠家其做工和質(zhì)量并不是很高，時常出現(xiàn)短路的現(xiàn)象。

　　動態(tài)電源管理

　　動態(tài)電源管理是調(diào)節(jié)移動終端中存在的一個或多個處理器內(nèi)核的工作電壓和頻率，因為系統(tǒng)通常配備一塊高度集成的、基于 PowerPC、ARM 和 x86DSP 或智能基帶處理器。 系統(tǒng)功耗產(chǎn)生的原因與電阻上消耗的功率、有源器件的開關(guān)轉(zhuǎn)換階段以及集成電路內(nèi)部和外部電容的充放電有關(guān)。另外，系統(tǒng)的性能指標、負載能力、被處理信號的工作頻率、電路的工作頻率、電源的管理水平、零部件的性能、散熱條件、接口的物理性能等都對系統(tǒng)功耗起著重要的作用。

　　目前絕大多數(shù)的處理器是用CMOS 工藝制造的。而CMOS電路的總功耗是動態(tài)功耗與靜態(tài)功耗之和，當電路工作或邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換時會產(chǎn)生動態(tài)功耗，未發(fā)生轉(zhuǎn)換時晶體管漏電流會造成靜態(tài)功耗：

　　式中C為電容，為開關(guān)頻率，為電源電壓，為漏電流。為動態(tài)功耗，為靜態(tài)功耗。在電源管理設計實現(xiàn)中，重點是動態(tài)功耗。從式中可以看出：降低電壓對功耗的貢獻是2次方的;降低時鐘也可降低功耗，但它同時也降低性能，延長同一任務的執(zhí)行時間。所以，選擇滿足性能所需的最低時鐘頻率，在時鐘頻率和各種系統(tǒng)部件運行電壓要求范圍內(nèi)，設定最低的電源電壓，將會大量減少系統(tǒng)功耗?；谶@種思想的電源管理方法如圖2所示，它能動態(tài)的改變CPU時鐘，降低處理器的時鐘頻率。

圖2 動態(tài)電源管理方法

　　LP3970的電源管理特性

　　本系統(tǒng)中使用了美國國家半導體(NS)產(chǎn)品系列中的LP3970，它可作為單獨的IC使用或用作整個平臺解決方案的一個組成部分，它具有的超低電流模式技術(shù)和超低的電流干擾(見圖3 )。LP3970將多個系統(tǒng)整合到一個設備中，大量系統(tǒng)級模塊的整合協(xié)作簡化了設計流程，同時能在極具競爭力的價位上提供高精密度的產(chǎn)品。

圖3 超低電流特性

　　NS的多功能電源管理單元LP3970 內(nèi)置了11個低壓降低噪音的線性穩(wěn)壓器，其中8顆負責驅(qū)動數(shù)字負載，而另外3顆負責驅(qū)動模擬負載，LP3970還有2個電感式DC/DC降壓穩(wěn)壓器、1個后備電池充電器及4個通用輸出，可為應用處理器提供穩(wěn)壓供電。通過I2C 接口，嵌入式處理器可以對LP3970進行數(shù)字控制，根據(jù)負載情況動態(tài)調(diào)節(jié)電源電壓來節(jié)省功耗。

　　本文討論了采用新型的電源管理系統(tǒng)，通過使用動態(tài)電源管理和使用具有超低電流特性器件，并在必要時將部分移動終端置于低功耗待機模式，可極大地降低功耗。同時采用兼顧系統(tǒng)整體需要的設計，電源不再像以往一樣只是電子產(chǎn)品內(nèi)的一個獨立運作的子系統(tǒng)。利用該電源管理系統(tǒng)，可顯著延長采用移動終端的電池使用時間，從而在不影響高性能應用的情況下，大大延長其待機時間。