2.5G和3G蜂窩電話電源管理解決方案

用戶對(duì)于自己所購(gòu)買(mǎi)的蜂窩電話一般有許多要求，長(zhǎng)通話時(shí)間和長(zhǎng)待機(jī)時(shí)間顯然是其中最重要的兩項(xiàng)。盡管目前2G蜂窩電話可以通話幾個(gè)小時(shí)并待機(jī)好幾天，但新型2.5G和3G蜂窩產(chǎn)品卻不能做到這樣。事實(shí)上日本的早期試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，有些3G蜂窩電話用不到一小時(shí)就沒(méi)電了。

設(shè)計(jì)人員應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，解決這一問(wèn)題的答案并不僅在于蜂窩電話設(shè)計(jì)的模擬部分或數(shù)字部分，要滿足最終用戶在功耗方面的要求，設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)下一代系統(tǒng)時(shí)必須有一個(gè)總體電源管理方案。本文將詳細(xì)討論系統(tǒng)功耗涉及的每個(gè)因素，分析設(shè)計(jì)人員將面臨的電源管理難題，并介紹解決這一設(shè)計(jì)難題的一些有潛力的解決方案。

主要影響因素

在討論具體細(xì)節(jié)之前，讓我們先簡(jiǎn)要看一下蜂窩電話中必須進(jìn)行電源管理的關(guān)鍵部分。圖1是一個(gè)典型2.5G蜂窩電話設(shè)計(jì)的主要功率消耗模塊。

發(fā)送功率放大器對(duì)設(shè)計(jì)工程師來(lái)說(shuō)是電源管理主要難點(diǎn)之一，這種功率放大器要求很高峰值電流，有時(shí)將近1安培，因此該部件消耗的手機(jī)電池能量比任何其它部件都多。在通常使用情況下，功率放大器消耗的電能幾乎要占電池總能量的一半。

RF收發(fā)器不如功率放大器耗電多，但也會(huì)為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)一些功率方面的問(wèn)題。平均來(lái)說(shuō)，收發(fā)器在發(fā)送或接收模式下消耗的電流介于50至100mA之間。

除了功耗之外，收發(fā)器還為設(shè)計(jì)人員帶來(lái)另一個(gè)挑戰(zhàn)，即從蜂窩電話其它部件電源處收到的噪聲會(huì)極大地影響收發(fā)器的整體性能。因此設(shè)計(jì)人員必須隔離收發(fā)器的電源，以應(yīng)付可能出現(xiàn)的噪聲問(wèn)題。

包括音頻編解碼器、射頻編解碼器和電源控制功能的模擬基帶器件消耗的功率并不高，但也必須提供干凈的電源才能滿足手機(jī)性能要求。

除了發(fā)送功率放大器之外，數(shù)字基帶器件消耗的功率最多，數(shù)字基帶IC的功耗理解起來(lái)比較復(fù)雜，因?yàn)檩^高處理器時(shí)鐘速度和晶圓工藝相關(guān)特性等導(dǎo)致很多此消彼長(zhǎng)的現(xiàn)象。一般來(lái)說(shuō)，可實(shí)現(xiàn)高時(shí)鐘速度以滿足應(yīng)用要求的晶圓工藝，其關(guān)閉狀態(tài)泄漏電流相對(duì)較高，這將導(dǎo)致因邏輯開(kāi)關(guān)而形成的有源功率部分，以及無(wú)論處理器是否開(kāi)關(guān)都會(huì)消耗功率的泄漏部分。

上面列出了蜂窩電話主要耗電部件，下面讓我們看一下設(shè)計(jì)人員解決這些問(wèn)題所使用的技術(shù)。我們從數(shù)字基帶部分開(kāi)始。

邏輯功能方面的問(wèn)題

對(duì)于電池供電或低功耗設(shè)備，不同時(shí)期的數(shù)字信號(hào)處理器都提出過(guò)電源管理的要求，主要重點(diǎn)是降低有源功率，對(duì)CMOS技術(shù)來(lái)說(shuō)就是信號(hào)轉(zhuǎn)換以及設(shè)計(jì)中節(jié)點(diǎn)電容充放電引起的功耗。減少這一動(dòng)態(tài)功耗部分而進(jìn)行的努力一直集中在時(shí)鐘控制上，因?yàn)闀r(shí)鐘是同步系統(tǒng)中主要的激勵(lì)源。

將系統(tǒng)時(shí)鐘網(wǎng)絡(luò)分割成具有自動(dòng)軟件控制的單獨(dú)時(shí)鐘域一直是控制時(shí)鐘的有效途徑，如今新時(shí)鐘技術(shù)如動(dòng)態(tài)電源和頻率變換(DVFS)也用到了DSP系統(tǒng)中，可進(jìn)一步降低有源功耗。

DVFS允許某個(gè)模塊電路的工作電壓在系統(tǒng)面臨繁重處理任務(wù)時(shí)升高，從而使時(shí)鐘頻率和電壓暫時(shí)增高。它降低系統(tǒng)功耗的原理是，正常情況下系統(tǒng)電路工作在較低電壓和頻率模式，僅在進(jìn)行大量數(shù)據(jù)處理時(shí)才轉(zhuǎn)到更快更高的功耗模式。但必須指出的是，技術(shù)發(fā)展而導(dǎo)致的主電源電壓不斷下降(從5伏到3.3伏再到1.8/1.5伏，現(xiàn)正走向1.2伏及更低)限制了DVFS在同步電路中真正發(fā)揮作用，因?yàn)榇藭r(shí)最低和最高工作電壓變得非常接近。

基帶結(jié)構(gòu)的靜態(tài)功耗控制也引發(fā)了一些新的功率控制問(wèn)題。因?yàn)楝F(xiàn)代CMOS技術(shù)中晶體管的靜態(tài)功耗大幅增加，特別是在支持高性能操作時(shí)，這主要是由于為滿足性能要求必須將幾何尺寸縮小并且犧牲晶體管閾值電壓，而該靜態(tài)部分(或稱泄漏電流)對(duì)電源電壓水平很敏感。圖2顯示了微處理器的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)功耗變化情況(使用高性能晶體管在最大電壓時(shí))。

現(xiàn)在還處于后期開(kāi)發(fā)階段旨在減少泄漏電流影響的新技術(shù)采用了待機(jī)(或“睡眠”)系統(tǒng)狀態(tài)，這種功率狀態(tài)要么維持全部或部分系統(tǒng)狀態(tài)，要么完全關(guān)閉。在維持狀態(tài)時(shí)，可采用降低工作電壓的作法，但需要在存儲(chǔ)器和寄存器等功能中應(yīng)用一些特別的偏壓技術(shù)；在狀態(tài)關(guān)閉時(shí)，系統(tǒng)必須關(guān)掉DSP中的模塊，通過(guò)電氣隔離這些模塊以確保它們不受系統(tǒng)其余部分操作的影響。

功率泄漏還可作為一個(gè)指標(biāo)，限制針對(duì)某個(gè)功能所構(gòu)建的晶體管總數(shù)。不管是從靜態(tài)還是從動(dòng)態(tài)功耗的角度看，晶體管都不是沒(méi)有代價(jià)的，因此必須對(duì)模塊進(jìn)行優(yōu)化，盡可能采用最少數(shù)量的晶體管。

全局觀念

以上討論說(shuō)明，為何必須在整個(gè)基帶芯片級(jí)上進(jìn)行全局電源管理，將時(shí)鐘和電源控制重新組合成一種硬件與軟件設(shè)計(jì)人員共用且一致的模型。電源管理要求將各部分聯(lián)系在一起以進(jìn)行有效控制。

處理基帶硬件部分時(shí)，設(shè)計(jì)人員首先必須仔細(xì)地將系統(tǒng)分割成采用同類功率模式的功能簇(也叫域)，舉例來(lái)說(shuō)，有些器件可支持電壓與頻率升降并可在不用時(shí)關(guān)掉，而有的則必須一直工作在較高有源功率狀態(tài)且必須維持這種狀態(tài)。第二，為了實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)電源管理無(wú)縫組合，這些域必須通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)方法相連以控制其功率狀態(tài)。實(shí)現(xiàn)方法是給每個(gè)域一個(gè)功率“封套”(wrapper)，它使得域內(nèi)的功率狀態(tài)控制難題可用硬件來(lái)解決，并通過(guò)新出現(xiàn)的更成熟電路技術(shù)逐步改善。

第三，對(duì)于各個(gè)域之間共享的一些邏輯功能(如互連、中斷和喚醒事件，以及片上時(shí)鐘和電源)，必須通過(guò)監(jiān)控相關(guān)域的功率狀態(tài)分別對(duì)待。中斷和喚醒事件的處理及兩者之間的切換須根據(jù)功率狀態(tài)變化而特別小心，因?yàn)檫@對(duì)于確保已關(guān)閉系統(tǒng)部件正常喚醒至關(guān)重要。

基帶軟件部分的功耗，主要取決于實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)對(duì)于執(zhí)行任務(wù)所需硬件功能的活動(dòng)需求變化進(jìn)行捕捉和建模的能力。軟件電源管理分為三個(gè)主要部分。第一部分包括獲得執(zhí)行任務(wù)信息的各種途徑，例如芯片哪些資源屬于動(dòng)態(tài)需要，以及為滿足執(zhí)行時(shí)限性能需要達(dá)到多高(最高頻率和電壓定為100%)。人們現(xiàn)正在開(kāi)發(fā)API支持這一需要，但有些參數(shù)難以獲取，因此應(yīng)提供一種默認(rèn)方式，將對(duì)外設(shè)等設(shè)備的訪問(wèn)請(qǐng)求(通常通過(guò)OS調(diào)用來(lái)進(jìn)行)自動(dòng)分類以增強(qiáng)該默認(rèn)方式。

第二部分包括一個(gè)與任務(wù)調(diào)度程序相關(guān)的功率及時(shí)鐘域調(diào)度程序，根據(jù)底層硬件能力和面臨的時(shí)限要求喚醒或關(guān)閉各域、定義所需的電壓水平和頻率以及采取適當(dāng)系統(tǒng)狀態(tài)保存措施。該功率調(diào)度程序還將監(jiān)控資源使用情況，并聯(lián)合任務(wù)調(diào)度程序一起做出決定，以便使關(guān)閉時(shí)段盡可能長(zhǎng)。

第三部分是根據(jù)OS的配置對(duì)未使用域功率狀態(tài)進(jìn)行靜態(tài)分配。舉例來(lái)說(shuō)，這種分配可以決定未裝相應(yīng)驅(qū)動(dòng)程序時(shí)是否可徹底關(guān)閉某外設(shè)資源。

圖3顯示了一個(gè)硬件分割與電源管理互連及軟件堆棧結(jié)構(gòu)，這種分布式電源管理方案的組合式硬軟件結(jié)構(gòu)已在一個(gè)3G終端基帶芯片(基于0.1微米工藝)上進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，與傳統(tǒng)時(shí)鐘管理方案相比，新方案在工作期間泄漏電流降低了約10倍，待機(jī)模式下泄漏電流降低了約1,000倍。

模擬部分的挑戰(zhàn)

雖然蜂窩手機(jī)的模擬功能并不是最耗電的，但模擬部分的功耗仍然很重要，為降低這部分功耗也進(jìn)行了大量工作。

將模數(shù)轉(zhuǎn)換器和數(shù)模轉(zhuǎn)換器集成到系統(tǒng)基帶邏輯功能中一直是降低蜂窩電話功耗的一條途徑。雖然在特殊模擬工藝中，元件無(wú)法精確匹配以及更高電壓帶來(lái)了一些特殊挑戰(zhàn)，但電路設(shè)計(jì)師創(chuàng)造性地想出了一種應(yīng)對(duì)方法，即盡可能多地利用數(shù)字功能來(lái)控制和校準(zhǔn)基本模擬模塊，如ADC和DAC之類。

動(dòng)態(tài)元件匹配就是這樣一種技術(shù)，它利用一個(gè)可以切換到不同狀態(tài)的元件矩陣，在電路性能上造成一種統(tǒng)計(jì)效果，即使得模擬功能執(zhí)行起來(lái)就好像各個(gè)元件都已得到更好匹配一樣。另一個(gè)技術(shù)是盡可能多地利用數(shù)字濾波，簡(jiǎn)單地把濾波任務(wù)更多移到數(shù)字領(lǐng)域以降低對(duì)模擬性能的要求。

將ADC和DAC集成還減少了IC間高速數(shù)字接口所用引腳數(shù)，從而降低功耗。在集成ADC或DAC時(shí)，由于系統(tǒng)基帶處理器上的一個(gè)模擬端口可以取代一個(gè)數(shù)字接口，因此接口的功耗會(huì)降低，系統(tǒng)數(shù)字噪聲耦合也將降到最小。

RF與功率控制問(wèn)題

蜂窩手機(jī)的RF部分包括一個(gè)發(fā)送功率放大器和一個(gè)小信號(hào)收發(fā)器，目前的趨勢(shì)是采用先進(jìn)的CMOS技術(shù)或細(xì)間距鍺化硅工藝降低收發(fā)器中的功耗，應(yīng)用特殊的硅DMOS工藝或砷化鎵技術(shù)降低功率放大器的功耗。

在向2.5G和3G無(wú)線接口技術(shù)發(fā)展時(shí)，要求采用能使蜂窩電話功率放大器呈現(xiàn)更高線性度的新調(diào)制方案。由于更嚴(yán)格的線性度要求通常會(huì)使功率放大器效率損失差不多10%至20%，因此設(shè)計(jì)人員們正在研究新的技術(shù)以克服這些挑戰(zhàn)，預(yù)失真就是這樣一種技術(shù)，它根據(jù)功率放大器的非線性度來(lái)改變輸入信號(hào)，從而使功率放大器在生成高精確度調(diào)制的同時(shí)工作于更高效率上。

當(dāng)輸出功率低于峰值時(shí)，功率放大器效率也會(huì)嚴(yán)重下降。由于手機(jī)在使用時(shí)通常很少接近峰值輸出功率(只有當(dāng)用戶離蜂窩發(fā)射塔距離差不多最遠(yuǎn)時(shí)才會(huì)用到)，因此有些手機(jī)設(shè)計(jì)現(xiàn)在采用DC/DC轉(zhuǎn)換器來(lái)恢復(fù)較低輸出功率時(shí)的效率。在正常使用情況下，DC/DC轉(zhuǎn)換器效率導(dǎo)致的最大輸出功率效率損失，完全可以通過(guò)對(duì)較低功率下的效率提高來(lái)補(bǔ)償。

在電源管理部分，集成也是一個(gè)非常重要的趨勢(shì)?，F(xiàn)代處理器設(shè)計(jì)中功率域的大量使用、動(dòng)態(tài)電壓升降以及對(duì)額外電路偏壓控制的需求，都使得系統(tǒng)處理器電源管理問(wèn)題十分復(fù)雜。此外，集成的模擬功能需要非常干凈的電源，為此最好將為模擬功能供電的電源調(diào)節(jié)器徹底集成。

隨著RF/基帶集成的出現(xiàn)，一些公司宣布集成的藍(lán)牙射頻與蜂窩射頻很可能隨后出現(xiàn)，屆時(shí)對(duì)干凈片上電源調(diào)節(jié)要求將更加苛刻。當(dāng)然，在數(shù)字CMOS邏輯工藝中集成電源調(diào)節(jié)器是件非常有挑戰(zhàn)性的任務(wù)，需要特殊的晶體管設(shè)計(jì)以滿足電池電壓所帶來(lái)的高電壓要求，在某些情況下必須采用一個(gè)外接的預(yù)調(diào)節(jié)器來(lái)降低輸給片上器件的電壓。

本文總結(jié)

正如本文所表明的，積極的功率控制在現(xiàn)代手機(jī)設(shè)計(jì)中是必需的。盡管存在很多挑戰(zhàn)，但設(shè)計(jì)師們提出了多種新的電源管理方案，降低蜂窩電話的總功耗，從而在不遠(yuǎn)的將來(lái)提高待機(jī)和通話時(shí)間。

隨著2.5G/3G發(fā)展的繼續(xù)，設(shè)計(jì)師們將面臨很多新挑戰(zhàn)。如集成的照相機(jī)、彩色顯示屏、互動(dòng)游戲等更多功能將不斷使蜂窩電話功耗捉襟見(jiàn)肘，迫使設(shè)計(jì)工程師繼續(xù)開(kāi)發(fā)和采用新的電源管理方案。總而言之，成功的關(guān)鍵就是在蜂窩電話設(shè)計(jì)過(guò)程中采用一種總體系統(tǒng)功耗降低方案。