降低便携式应用的功耗

作者：Alexander Friebe，德州仪器 (TI)

无线手持终端设备、智能电话、PDA 以及媒体播放器等新一代便携式消费类电子产品均具有更多的特性和更高的性能，通常其尺寸也变得更小巧。由于这些最新的特性，这些设备均要求极高的功耗。

相关示例数不胜数，如具有分辨率超过 300 万象素、高功率闪光灯 LED 或氙闪光管的相机、高级音频或扬声器功能，以及具有便携式高分辨率 LCD-TV 显示屏的无线电话。静态和动态电源要求向设计人员提出了严峻的挑战，因此对其进行有效地管理至关重要。随着便携式产品的功能日益丰富，应用很快对单电源也提出了更高的要求，从而导致电池使用寿命相应缩短。

另外，模拟与数字基带 IC 处理器单元、中央处理器主机以及图像和音频处理器等，无论在先进性还是在集成度方面都在不断提升。随着产品功能的增多，IC 的集成度也随之提升，因此需要更多的电源轨，或在同样数量的电源轨上施加更高的电源电流。

大多数便携式消费类产品均使用标准的高性能锂离子电池（通常为单电池配置）。鉴于有限的电池电量，厂商不得不针对下列两种情况中做出决断：要么以较短的电池使用寿命为代价为用户提供功能丰富的应用，要么牺牲应用的功能丰富性而确保较长的电池使用寿命。但当今的消费者既希望获得高端产品，同时又要求电池具备超长使用寿命。

解决便携式设备的功耗难题

为了解决上述设计难题，众多技术纷纷问世。为了满足处理器的需要，IC 厂商率先降低了给定性能水平的功耗。DSP 或 OMAP 内核标准的数字 IC 制造技术采用 90nm 工艺。

自 2005 年末开始，最新一代 65nm 工艺就已经投入了量产。通过“压缩”，晶体管的密度通常会翻一番。这种技术将相同设计的尺寸压缩至原来的一半，并将晶体管的性能比原来提高了大约 40%。这种技术大大降低了内核电源电压需求，而电流要求不变或更高。但是另一方面，漏电功耗显著增高也会进一步降低性能。

其它一些降低功耗的方法（模数集成电路的非制造技术），包括多种低功耗模式、时钟门控、动态电压以及频率调节。这些技术在设计中起着很重要的作用。为了满足功耗和降低功耗的要求，需要开发出新型制造和工艺技术。一种被应用于 DSP 和 OMAP 处理器的称为 SmartReflex 的新方法，就是一个很好的例子。

在硅芯片－IP 级，静态漏电功耗被大大降低了 1000 倍。在一个电源管理单元库实现分区设备电源域微粒方法 (granular approach) 的同时，对不同集成电路和系统构建块的功耗和性能进行了协调。

该方法不但降低了总体功耗，优化了系统性能，而且还延长了电池的使用寿命。凭借广泛的智能与自适应软硬件技术，SmartReflex 技术可以根据器件活动、工作模式和温度的变化，对电压、频率和功耗进行动态控制。

SmartReflex 技术包括动态及自适应电压缩放、动态电源切换以及待机漏电管理。动态电压缩放通常会涉及到外部电源管理器件和软件。

例如，根据于处理器负载的要求，可以调节内核电源电压，以满足全部性能运行的需要或在待机模式下的节电模式。分立低压降 (LDO)、中低功耗 DC/DC 转换器、多通道电源管理单元 (PMU) 或其它电源均可为电路板和处理器供电（具体取决于系统的要求）。

[p]

电源管理设计提供了所有处理器情况下的必要电压轨以及正确的电压和电流。如果应用被关闭，或被切换到预定义节电模式，那么所有处理器和电源管理器件通常都会进入一个轻负载或待机模式。

因此，当前电压电平将会进一步降低，同时电流消耗也降至最小。在理想的情况下，每个 IC 仅消耗几 μA 的电流。到目前为止，上述情况均为静态模式。一旦完成电源管理设计，那么几乎就无法改变电压轨电平。

最近，分立低功耗降压 DC/DC 转换器和高度集成的多通道电源管理单元已经可以采用 I2C 串行总线。随着串行接口在分立电源管理器件中得到使用，对电源电压提供了新的影响途径。

通过将软件工具和处理器控制功能与一个串行标准 I2C 接口相组合，数字与模拟电源管理芯片之间的信息可以更高的性能级别进行交换。

电压、电流和功耗预算的实时调节已成为现实；此外，还可以实现电源管理和监控的软件控制，因而在现有满负载和系统待机模式之间可以实现多种节电模式。

动态电压缩放。I2C 接口具有两种不同的速度选择：标准的 100 Kbps 和快速 400Kbps。在分立低功耗 DC/DC 转换器或电源管理单元中实施动态电压缩放，设计人员可以动态并精确地改变分立电源管理器件的输出电压，进而调整任何处理器单元的内核电源电压。

这种设计要求使用快速 DC/DC 转换器。例如，3 MHz 或者更高转换频率的转换器（见下图 1）可以保证快速信号瞬态响应。

图 1：I2C 可以动态地调整并调节主 DC/DC 转换器的输出电压

此外，低功耗 DC/DC 转换器或电源管理单元应具有不同的工作模式，例如，PFM 或强制脉冲频率调制，以允许它们对自身进行调节或通过I2C控制信号进入某个系统的电源配置。

[p]

该设计可在不牺牲整体性能的情况下精确满足系统性能需求。因此，每一种工作状态或处理器模式都实现了最低功耗模式，从而延长了电池的使用寿命，减少了各器件的散热量，并提高了整体系统性能。

降低功耗。在本例中，分立低功耗 DC/DC 转换器 TPS62350采用了 SmartReflex 技术。采用微型 12 球栅芯片级封装的该单通道降压转换器提供了高达 800mA 的输出电流，超出了效率为 95% 的单体锂离子电池的输入电压范围。利用 I2C 接口，可对输出电压进行调节，以支持处理器并可以“微小步长 (tiny step)”调整电压轨，最低到 0.6V。

这种可编程 DC/DC 转换器有助于延长 3G智能电话、PDA、数码相机以及其它便携式应用的电池使用寿命。

借助 I2C 接口降低功耗的另一种方法是采用诸如 TPS65020这样的器件（参见下图 2）。这是一款高度集成的 PMU，其具有六个输出通道、三个低功耗、效率高达 97% 的 DC/DC 转换器，以及三个 LDO。

图 2：TPS62350 单通道降压转换器提供了高达 800mA 的输出电流，超出了单体锂离子电池的输入电压范围

在该器件中，I2C能够动态地调整和调节通常为处理器内核供电的主 DC/DC 转换器的输出电压。另外两种 DC/DC 转换器可以用于 I/O 电源、存储器或其它功能供电。不同的构建块（如该 IC 所有这三个 LDO 或 DC/DC 转换器）在 I2C 接口的帮助下，都可以被关闭/开启以降低整个 PMU 的功耗和散热量。关闭不同模块还可以降低静态电流消耗。

除已讨论的节电方法以外，新型制造技术在未来将发挥重要的作用。随着工艺技术从 90nm 发展到 65nm 甚至更小，这里所讨论的技术实施将会变得更加重要。

在 DSP 内核及其分立模拟电源组件之间的通信将会增加，以实现灵活实时的功耗调节及软件控制的功耗方案。总之，所有这些改进和方法必须很好地配合使用，才能实现性能的优化，并最大限度地延长电池使用寿命，以此来使消费者受益。

Alexander Friebe 现任 TI 业务开发经理。