降低便攜式應用的功耗

無(wú)線(xiàn)手持終端設備、智能電話(huà)、PDA 以及媒體播放器等新一代便攜式消費類(lèi)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，這些設備均要求極高的功耗。

相關(guān)示例數不勝數，如具有分辨率超過(guò) 300 萬(wàn)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(wú)線(xiàn)電話(huà)。靜態(tài)和動(dòng)態(tài)電源要求向設計人員提出了嚴峻的挑戰，因此對其進(jìn)行有效地管理至關(guān)重要。隨著(zhù)便攜式產(chǎn)品的功能日益豐富，應用很快對單電源也提出了更高的要求，從而導致電池使用壽命相應縮短。

另外，模擬與數字基帶 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(wú)論在先進(jìn)性還是在集成度方面都在不斷提升。隨著(zhù)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，或在同樣數量的電源軌上施加更高的電源電流。

大多數便攜式消費類(lèi)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(chǎng)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(jià)為用戶(hù)提供功能豐富的應用，要么犧牲應用的功能豐富性而確保較長(cháng)的電池使用壽命。但當今的消費者既希望獲得高端產(chǎn)品，同時(shí)又要求電池具備超長(cháng)使用壽命。

解決便攜式設備的功耗難題

為了解決上述設計難題，眾多技術(shù)紛紛問(wèn)世。為了滿(mǎn)足處理器的需要，IC 廠(chǎng)商率先降低了給定性能水平的功耗。DSP 或 OMAP 內核標準的數字 IC 制造技術(shù)采用 90nm 工藝。

自 2005 年末開(kāi)始，最新一代 65nm 工藝就已經(jīng)投入了量產(chǎn)。通過(guò)“壓縮”，晶體管的密度通常會(huì )翻一番。這種技術(shù)將相同設計的尺寸壓縮至原來(lái)的一半，并將晶體管的性能比原來(lái)提高了大約 40%。這種技術(shù)大大降低了內核電源電壓需求，而電流要求不變或更高。但是另一方面，漏電功耗顯著(zhù)增高也會(huì )進(jìn)一步降低性能。

其它一些降低功耗的方法（模數集成電路的非制造技術(shù)），包括多種低功耗模式、時(shí)鐘門(mén)控、動(dòng)態(tài)電壓以及頻率調節。這些技術(shù)在設計中起著(zhù)很重要的作用。為了滿(mǎn)足功耗和降低功耗的要求，需要開(kāi)發(fā)出新型制造和工藝技術(shù)。一種被應用于 DSP 和 OMAP 處理器的稱(chēng)為 SmartReflex 的新方法，就是一個(gè)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(gè)電源管理單元庫實(shí)現分區設備電源域微粒方法 (granular approach) 的同時(shí)，對不同集成電路和系統構建塊的功耗和性能進(jìn)行了協(xié)調。

該方法不但降低了總體功耗，優(yōu)化了系統性能，而且還延長(cháng)了電池的使用壽命。憑借廣泛的智能與自適應軟硬件技術(shù)，SmartReflex 技術(shù)可以根據器件活動(dòng)、工作模式和溫度的變化，對電壓、頻率和功耗進(jìn)行動(dòng)態(tài)控制。

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

例如，根據于處理器負載的要求，可以調節內核電源電壓，以滿(mǎn)足全部性能運行的需要或在待機模式下的節電模式。分立低壓降 (LDO)、中低功耗 DC/DC 轉換器、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（具體取決于系統的要求）。

電源管理設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。如果應用被關(guān)閉，或被切換到預定義節電模式，那么所有處理器和電源管理器件通常都會(huì )進(jìn)入一個(gè)輕負載或待機模式。

因此，當前電壓電平將會(huì )進(jìn)一步降低，同時(shí)電流消耗也降至最小。在理想的情況下，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。一旦完成電源管理設計，那么幾乎就無(wú)法改變電壓軌電平。

最近，分立低功耗降壓 DC/DC 轉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(xiàn)。隨著(zhù)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(guò)將軟件工具和處理器控制功能與一個(gè)串行標準 I2C 接口相組合，數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(jìn)行交換。

電壓、電流和功耗預算的實(shí)時(shí)調節已成為現實(shí)；此外，還可以實(shí)現電源管理和監控的軟件控制，因而在現有滿(mǎn)負載和系統待機模式之間可以實(shí)現多種節電模式。

動(dòng)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 轉換器或電源管理單元中實(shí)施動(dòng)態(tài)電壓縮放，設計人員可以動(dòng)態(tài)并精確地改變分立電源管理器件的輸出電壓，進(jìn)而調整任何處理器單元的內核電源電壓。

這種設計要求使用快速 DC/DC 轉換器。例如，3 MHz 或者更高轉換頻率的轉換器（見(jiàn)下圖 1）可以保證快速信號瞬態(tài)響應。

圖 1：I2C 可以動(dòng)態(tài)地調整并調節主 DC/DC 轉換器的輸出電壓

此外，低功耗 DC/DC 轉換器或電源管理單元應具有不同的工作模式，例如，PFM 或強制脈沖頻率調制，以允許它們對自身進(jìn)行調節或通過(guò)I2C控制信號進(jìn)入某個(gè)系統的電源配置。

該設計可在不犧牲整體性能的情況下精確滿(mǎn)足系統性能需求。因此，每一種工作狀態(tài)或處理器模式都實(shí)現了最低功耗模式，從而延長(cháng)了電池的使用壽命，減少了各器件的散熱量，并提高了整體系統性能。

降低功耗。在本例中，分立低功耗 DC/DC 轉換器 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(jìn)行調節，以支持處理器并可以“微小步長(cháng) (tiny step)”調整電壓軌，最低到 0.6V。

這種可編程 DC/DC 轉換器有助于延長(cháng) 3G智能電話(huà)、PDA、數碼相機以及其它便攜式應用的電池使用壽命。

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(jiàn)下圖 2）。這是一款高度集成的 PMU，其具有六個(gè)輸出通道、三個(gè)低功耗、效率高達 97% 的 DC/DC 轉換器，以及三個(gè) LDO。

圖 2：TPS62350 單通道降壓轉換器提供了高達 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(dòng)態(tài)地調整和調節通常為處理器內核供電的主 DC/DC 轉換器的輸出電壓。另外兩種 DC/DC 轉換器可以用于 I/O 電源、存儲器或其它功能供電。不同的構建塊（如該 IC 所有這三個(gè) LDO 或 DC/DC 轉換器）在 I2C 接口的幫助下，都可以被關(guān)閉/開(kāi)啟以降低整個(gè) 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。

除已討論的節電方法以外，新型制造技術(shù)在未來(lái)將發(fā)揮重要的作用。隨著(zhù)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(shí)施將會(huì )變得更加重要。

在 DSP 內核及其分立模擬電源組件之間的通信將會(huì )增加，以實(shí)現靈活實(shí)時(shí)的功耗調節及軟件控制的功耗方案?？傊?，所有這些改進(jìn)和方法必須很好地配合使用，才能實(shí)現性能的優(yōu)化，并最大限度地延長(cháng)電池使用壽命，以此來(lái)使消費者受益。