便攜式多媒體設備的電源管理新思路

標簽：DSP FPGA

所有電氣和電子設備都需要某種形式的電源管理，從簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)到先進(jìn)的電源管理單元無(wú)不如此。電源管理的進(jìn)步有目共睹，它已成為一種實(shí)用技術(shù)，將為明天的設備性能和功能提供令人激動(dòng)的創(chuàng )新。有效的電源管理既可實(shí)現新技術(shù)，又可使最終設備個(gè)性化，而立法和標準已使電源問(wèn)題成為產(chǎn)品開(kāi)發(fā)概念階段的一個(gè)重要議題。

便攜式多媒體播放器(PMP)市場(chǎng)是當前發(fā)展最快的移動(dòng)娛樂(lè )市場(chǎng)之一。根據2005年IDC的報告，截至2009年，PMP市場(chǎng)的銷(xiāo)售額將達24億美元。通過(guò)推出一些具有豐富多媒體功能的創(chuàng )新PMP產(chǎn)品，OEM廠(chǎng)商正雄心勃勃爭奪這塊市場(chǎng)的份額，市場(chǎng)形勢令人振奮。

電源管理新進(jìn)展

每款PMP都存在電源方面的問(wèn)題，因此電源續航能力和可更換理念對于其未來(lái)的發(fā)展具有重要意義。雖然電源系統性能通常不是消費者選擇便攜產(chǎn)品的首要因素，但電源的性能優(yōu)劣足以影響整個(gè)系統的質(zhì)量。目前系統設計人員廣泛采用一些設計技巧來(lái)降低系統功耗，如：降低工作電壓、優(yōu)化系統和CPU時(shí)鐘頻率、避免上電過(guò)程中的大電流脈沖;有效地管理系統電池、管理系統工作模式;盡可能降低總線(xiàn)活動(dòng)、總線(xiàn)電容和轉換噪聲等。

我們認為，PMP在處理電源管理問(wèn)題時(shí)主要面臨以下幾個(gè)方面：提高器件轉換效率和降低功耗;使器件的封裝更小;提高電源管理芯片與系統的集成度，降低系統整體功耗;符合環(huán)保要求，具有極高的能源效益。下面我們將從四個(gè)層次來(lái)解讀目前便攜式電子產(chǎn)品的電源管理新方法：先進(jìn)的半導體工藝與封裝技術(shù)、系統考慮用電需求、管理負載用電、數字管理和控制。

電源管理IC供應商目前主要利用先進(jìn)的半導體工藝來(lái)提高轉換效率。如美國國家半導體采用低電壓低功耗CMOS工藝來(lái)減小靜態(tài)電流，提高轉換效率。在減小器件體積方面，主要是進(jìn)一步提高集成度和采用更先進(jìn)的封裝技術(shù)，如CSP、LLP和Micro SMD等等。如今封裝技術(shù)的發(fā)展重點(diǎn)有三方面：封裝越來(lái)越小，封裝芯片已基本可接近裸片的大小;封裝的厚度不斷減小;I/O密度不斷提高。

便攜產(chǎn)品電源管理技術(shù)的另一個(gè)趨勢是朝著(zhù)電源管理與系統整合的方向發(fā)展。長(cháng)期以來(lái)，處理器供應商及電源管理芯片廠(chǎng)商都各自開(kāi)發(fā)自己的技術(shù)，但傳統技術(shù)的改進(jìn)始終有其局限性，電池能量的利用效率幾乎已達到了極限，未來(lái)的提升幅度不大。要在效率方面尋求新的突破，就必須改變傳統的思路，采用全新的方法，全面考慮整個(gè)系統的用電要求，以智能型電源管理芯片來(lái)管理系統的性能及功耗。

人們通常以為，所謂電源管理就是利用最有效率而又最具成本效益的方法將電源供電饋送到有關(guān)的負載。其實(shí)，未來(lái)電源管理技術(shù)的發(fā)展將逐漸轉向管理負載用電。也就是將負載的特性進(jìn)行劃分，將電子系統視為信號路徑，其中的電路(無(wú)論是分立式還是內置式)分別負責不同的工作，例如信號的放大、轉換及處理。在這個(gè)過(guò)程中，不同的電路有不同的供電要求，例如部分電路雖然執行不同的工作，但其中所耗用的電量相同;而在另一些電路中，不同工作的耗電量則各不相同。這些不同的要求為半導體產(chǎn)品提供一個(gè)可以充分發(fā)揮其所長(cháng)的絕佳機會(huì )，電源管理芯片也因此成為電子產(chǎn)品最重要的元件之一。因此，采用“動(dòng)態(tài)供電”技術(shù)，即根據系統負載的變化對供電做出相應調整，即可將不同狀態(tài)的功耗降至最低。實(shí)現“動(dòng)態(tài)供電”需要處理器與電源管理器件相互配合。

數字管理和控制是電源管理的新思路。由于分布式電源結構中有若干復雜的負載，且在高檔消費產(chǎn)品中日漸增加，因此先進(jìn)電源管理技術(shù)需求日漸旺盛。諸如DSP、FPGA和微控制器等復雜負載經(jīng)常有一個(gè)以上的電源通道。由于摩爾定律的推動(dòng)，中央內核或DSP一直在追逐降低電壓。I/O電路或通信接口則需要標準的更高的電壓通道運行。當內核電壓下降到1V以下時(shí)，器件的泄漏電流就會(huì )增加。為了減少泄漏電流，先進(jìn)的圖形和DSP普遍采用了增加一個(gè)負電壓偏置的底層偏置電路。一旦系統的電源通道達到6個(gè)以上，就必須注意這些通道對可靠運行所需的時(shí)序和控制問(wèn)題。

數字電源控制，也稱(chēng)為“回路內部的處理器”則是一個(gè)完全不同的問(wèn)題。它必須對兩個(gè)數字串進(jìn)行比較以產(chǎn)生脈沖寬度來(lái)驅動(dòng)電源開(kāi)關(guān)，而不是使用傳統模擬PWM比較器的方法。這種適用技術(shù)可用于負載時(shí)間恒定的應用中，使電源運行在100kHz以下，例如功率因數校正、非中斷電源、多個(gè)化學(xué)電池充電和電機控制;還可用于采用若干可配置的PWM內核及控制、診斷和接口電路的手機和PDA的PMU等其他應用。運行時(shí)間控制電路中的子電路或外設可為其電流狀態(tài)提供最適宜的運行電壓，以節省能量，數字電源控制可使調節器更加靈敏和靈活。

數字控制的電源管理案例

目前PMP比較常見(jiàn)的功能包括：MPEG4播放、電視節目錄制、MP3/WMA音頻播放、錄音、圖片顯示、游戲和存儲功能(HDD/CF/SD)等。電源是整個(gè)系統穩定的根源，功耗則是PMP的敏感問(wèn)題，所以在選擇芯片的時(shí)候就要考慮這一點(diǎn)。過(guò)去幾年里，電源管理器件供應商一直在開(kāi)發(fā)能夠滿(mǎn)足多方面需求的單片解決方案。這樣不僅可減少I(mǎi)C數量，還可省去支持這些IC的分立器件，降低產(chǎn)品成本，減小產(chǎn)品體積。

美國國家半導體推出的業(yè)界第一款采用數字技術(shù)控制的PowerWise電源管理單元(EMU)LP5550芯片不但可以支持自適應電壓調節功能，有助于延長(cháng)電池壽命，還可支持更多新的功能。電池供電的便攜產(chǎn)品只要采用這款高度集成的電源管理芯片，即可減少數字處理器的功耗。該芯片可與國半的先進(jìn)功率控制器及ARM公司的智能電源管理(IEM)技術(shù)一起使用，將數字處理器核心的功耗降低70%。其先進(jìn)功率控制器也可支持兩家公司為業(yè)界制定的開(kāi)放式PowerWise接口(PWI)標準。

除了在硬件設計中考慮功耗，軟件設計中同樣需要。硬件設計好以后，一般來(lái)說(shuō)功耗就定下來(lái)了，但是利用芯片的可編程性可以盡可能地降低系統功耗，在提供最佳效果的同時(shí)，利用軟件調節獲得最長(cháng)的待機和播放時(shí)間。方法之一是在待機時(shí)讓芯片進(jìn)入低功耗模式。