采用動(dòng)態(tài)電源管理的移動(dòng)終端設計

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

　　系統解決方案

　　系統架構與集成

　　電源管理是整個(gè)移動(dòng)終端系統的基礎，這部分的穩定工作對整個(gè)系統的穩定工作起著(zhù)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(shí)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(gè)便攜式產(chǎn)品開(kāi)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(huì )對產(chǎn)品的功耗產(chǎn)生很大影響。不管是操作系統、BIOS控制程序還是外設驅動(dòng)程序，這些軟件編寫(xiě)的方式?jīng)Q定了最終產(chǎn)品的功耗水平，因此在開(kāi)發(fā)時(shí)必須加以考慮。

　　目前的高速移動(dòng)終端大都增加了視頻監控及顯示模塊，其輸入/輸出裝置都采用粗大的高速并行接口作為互連線(xiàn)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(jiǎn)機械設計，降低系統功率，減少電磁干擾，并削減系統成本。本移動(dòng)終端系統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(gè)器件中，從而降低了板級要求、減少了芯片數目及開(kāi)發(fā)成本。系統中的射頻無(wú)線(xiàn)部分，在需要重要低噪聲效能時(shí)采用低壓降穩壓器(LDO)，而降壓式直流-直流轉換器(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(cháng)的電池使用時(shí)間。

圖1 移動(dòng)終端系統及其電源管理模式

　　供電部分是整個(gè)系統的基礎，這一部分作用非常重要，供電系統與耗電系統必須有緊密的聯(lián)系，可以互相通信，這樣才可大幅節省電能。如果系統各個(gè)元器件沒(méi)有質(zhì)量問(wèn)題，在焊接完成后就可以加電進(jìn)行測試，所需要的工具和儀器儀表只要烙鐵、焊錫絲、數字萬(wàn)用表就可以了。在焊接前，首先用萬(wàn)用表測量最終的電壓輸出端和地有無(wú)短路現象，沒(méi)有才能進(jìn)行焊接，目前許多制造PCB的廠(chǎng)家其做工和質(zhì)量并不是很高，時(shí)常出現短路的現象。

　　動(dòng)態(tài)電源管理

　　動(dòng)態(tài)電源管理是調節移動(dòng)終端中存在的一個(gè)或多個(gè)處理器內核的工作電壓和頻率，因為系統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。 系統功耗產(chǎn)生的原因與電阻上消耗的功率、有源器件的開(kāi)關(guān)轉換階段以及集成電路內部和外部電容的充放電有關(guān)。另外，系統的性能指標、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功耗起著(zhù)重要的作用。

　　目前絕大多數的處理器是用CMOS 工藝制造的。而CMOS電路的總功耗是動(dòng)態(tài)功耗與靜態(tài)功耗之和，當電路工作或邏輯狀態(tài)轉換時(shí)會(huì )產(chǎn)生動(dòng)態(tài)功耗，未發(fā)生轉換時(shí)晶體管漏電流會(huì )造成靜態(tài)功耗：

　　式中C為電容，為開(kāi)關(guān)頻率，為電源電壓，為漏電流。為動(dòng)態(tài)功耗，為靜態(tài)功耗。在電源管理設計實(shí)現中，重點(diǎn)是動(dòng)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(shí)鐘也可降低功耗，但它同時(shí)也降低性能，延長(cháng)同一任務(wù)的執行時(shí)間。所以，選擇滿(mǎn)足性能所需的最低時(shí)鐘頻率，在時(shí)鐘頻率和各種系統部件運行電壓要求范圍內，設定最低的電源電壓，將會(huì )大量減少系統功耗?；谶@種思想的電源管理方法如圖2所示，它能動(dòng)態(tài)的改變CPU時(shí)鐘，降低處理器的時(shí)鐘頻率。

圖2 動(dòng)態(tài)電源管理方法

　　LP3970的電源管理特性

　　本系統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(gè)平臺解決方案的一個(gè)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(jiàn)圖3 )。LP3970將多個(gè)系統整合到一個(gè)設備中，大量系統級模塊的整合協(xié)作簡(jiǎn)化了設計流程，同時(shí)能在極具競爭力的價(jià)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 內置了11個(gè)低壓降低噪音的線(xiàn)性穩壓器，其中8顆負責驅動(dòng)數字負載，而另外3顆負責驅動(dòng)模擬負載，LP3970還有2個(gè)電感式DC/DC降壓穩壓器、1個(gè)后備電池充電器及4個(gè)通用輸出，可為應用處理器提供穩壓供電。通過(guò)I2C 接口，嵌入式處理器可以對LP3970進(jìn)行數字控制，根據負載情況動(dòng)態(tài)調節電源電壓來(lái)節省功耗。

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