便攜式產(chǎn)品方案的模擬和數(shù)字低功耗技術(shù)分析

隨著便攜式產(chǎn)品的功能日益豐富，對單電源也提出了更高的要求，電量消耗更大，電池使用壽命相應(yīng)縮短。此外，模擬或數(shù)字基帶IC處理器、中央處理器以及圖形/音頻處理器也變得越來越高級，而且集成度也越來越高。隨著產(chǎn)品功能的增多、IC的集成度提升，需要更多的電源軌，或在同樣數(shù)量的電源軌條件下需要更高的電源電流。為滿足更長的電池使用壽命要求，需要采用先進的電源管理技術(shù)，而靜態(tài)與動態(tài)功率管理是電源管理的關(guān)鍵。

低功耗工藝與電路技術(shù)

為了解決上述設(shè)計困境，眾多技術(shù)紛紛問世，其中包括半導(dǎo)體制造工藝。用于DSP或OMAP內(nèi)核的標準數(shù)字IC制造技術(shù)采用90nm工藝，并且最新一代65nm工藝已經(jīng)在2005年下半年投入量產(chǎn)。每一次的工藝改進通常都伴隨著晶體管密度的成倍增加，這不僅可使功能相當?shù)脑O(shè)計占用面積縮小一半，同時還能將晶體管性能提高近40%。先進的工藝能夠大大降低內(nèi)核電源電壓需求，而電流需求不變，或者甚至更高。但是另一方面，漏電功耗顯著增高也會進一步降低性能。

為了滿足功耗要求并應(yīng)對低功耗設(shè)計挑戰(zhàn)，我們需要開發(fā)新的生產(chǎn)與工藝技術(shù)，例如德州儀器最近針對DSP與OMAP處理器推出的SmartReflex技術(shù)。利用該技術(shù)在硅IP級的靜態(tài)漏電功耗可以大幅降低1,000倍。

SmartReflex不僅可以降低整體功耗，而且還能優(yōu)化系統(tǒng)性能并延長電池使用壽命。利用各種智能與自適應(yīng)軟、硬件技術(shù)，SmartReflex技術(shù)可以根據(jù)器件的活動、工作模式以及溫度的變化動態(tài)地控制電壓。其中包括動態(tài)的自適應(yīng)電壓縮放、動態(tài)電源切換以及待機漏電管理等。對于動態(tài)電壓縮放功能，這一主題還涉及到了外部電源管理的硬件與軟件。例如，根據(jù)處理器的負載，可以調(diào)節(jié)內(nèi)核電源電壓，以滿足全部性能需求或者降低待機模式的功耗。

模擬和數(shù)字節(jié)電技術(shù)

根據(jù)所采用的系統(tǒng)，分立LDO、中或低功耗DC/DC轉(zhuǎn)換器、多通道電源管理單元(PMU)或者其他電源均可負責(zé)板級供電和處理器供電。電源管理設(shè)計可為各種處理器環(huán)境提供必要的電壓軌以及正確的電壓與電流。如果應(yīng)用切換到關(guān)閉或者進入預(yù)定義的“節(jié)電”模式，一般情況下所有的處理器和電源管理器件都會進入輕負載或待機模式。因此，當前電壓電平將會進一步降低，同時功耗也降至最低。在最理想的情況下，每個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，一旦電源管理設(shè)計完成，改變電壓軌電平的空間就會很小。

分立式低功耗降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器與高集成度多通道PMU最近已經(jīng)可以采用串行I2C總線。隨著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。通過將軟件工具、處理器控制功能與標準串行I2C接口相結(jié)合，數(shù)字單元與模擬電源管理IC之間將能夠?qū)崿F(xiàn)前所未有的高性能信息交換。電壓、電流和功耗預(yù)算的實時調(diào)節(jié)已經(jīng)成為現(xiàn)實。另外，還可實現(xiàn)對電源管理及監(jiān)控的軟件控制，因而在現(xiàn)有的滿負載到系統(tǒng)待機模式之間可以存在多種省電模式。

I2C接口具有兩種不同的速度選項：標準的100kbps和快速的400kbps。利用分立式低功耗DC/DC轉(zhuǎn)換器或PMU，設(shè)計師現(xiàn)在可以動態(tài)地精確調(diào)整分立電源管理器件的輸出電壓，進而調(diào)整任何處理器單元的內(nèi)核供電電壓。這種設(shè)計需要使用快速DC/DC轉(zhuǎn)換器，例如開關(guān)頻率為3MHz以上的轉(zhuǎn)換器可確?？焖傩盘柕乃矐B(tài)響應(yīng)。另外，低功耗DC/DC轉(zhuǎn)換器或PMU應(yīng)具備不同的工作模式(如PFM或強制 PFM(Forced-PFM))，以便通過自調(diào)節(jié)或通過I2C控制信號進入某個系統(tǒng)電源配置。

圖1：TPS62350典型應(yīng)用電路

圖2：TPS65020應(yīng)用示意圖

該設(shè)計可在不犧牲整體性能的情況下精確滿足系統(tǒng)性能需求，因此使每種工作條件或處理器模式的功耗均實現(xiàn)最低，從而延長電池使用壽命，減少器件發(fā)熱量并增強整體系統(tǒng)性能。

具備I2C的電源管理器件

TPS62350分立式低功耗DC/DC轉(zhuǎn)換器采用了SmartReflex技術(shù)。采用微型12球柵芯片級封裝(CSP)的該款單通道降壓轉(zhuǎn)換器可在單鋰離子電池的輸入電壓范圍內(nèi)提供高達800mA的輸出電流。利用其I2C接口可調(diào)整輸出電壓以支持最新一代的處理器，以及可以“微小步長”調(diào)整電壓軌，最低到0.6V。這種可編程的DC/DC轉(zhuǎn)換器能夠顯著延長3G智能手機、PDA、數(shù)碼相機以及其他便攜式應(yīng)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像TPS65020這樣的器件。該器件是一款高度集成的PMU，具有六個輸出通道、三個低功耗DC/DC轉(zhuǎn)換器以及三個LDO。例如，在該器件，I2C可以動態(tài)地調(diào)整并測量通常為處理器內(nèi)核供電的主DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓。另外兩個DC/DC轉(zhuǎn)換器可用于為I/O電源、存儲器或其他功能供電。此外，通過I2C也可以使不同的構(gòu)建模塊(如IC上所有三個LDO或DC/DC轉(zhuǎn)換器)在開/關(guān)之間切換，以降低整個PMU的功耗及發(fā)熱量。“關(guān)閉”不同的構(gòu)建塊也可動態(tài)地降低靜態(tài)電流的消耗。

本文小結(jié)

除了上述省電方案之外，新的制造技術(shù)在未來將扮演重要角色。隨著工藝技術(shù)從90nm發(fā)展到65nm及更先進的工藝，本文介紹的技術(shù)實現(xiàn)方法將變得更為重要。另外，數(shù)字信號處理器內(nèi)核及其分立模擬電源組件之間將實現(xiàn)更多的通信交互，以實現(xiàn)靈活的功率實時調(diào)節(jié)與軟件控制方案?？傊@些進步與技術(shù)方法必須良好融合才能優(yōu)化性能，并最大限度地延長電池使用壽命。