利用自适应电压调整技术改善便携式设备的电源管理

作者：Conway Ng

产品市场经理

便携式功率产品部门

美国国家半导体公司

语音、数据和多媒体功能纷纷作为新功能特性添加到新式便携式设备中，很多先进的处理器、DSP和VLSI电路被用来实现这些功能，这使得便携式设备平均功耗大大增加，电源供应非常紧张。遗憾的是，电池技术却并没有跟上电路技术的发展步伐，不能很好地满足先进便携式产品的需要。本文介绍一种自适应电压调整方案，它可以应用在便携式产品的电源管理电路中，在不影响性能的情况下使电池使用时间尽可能得到延长。

过去三四年里，手持设备的概念已从简单的记事簿或数字词典演变成了一种真正的手持计算平台。当今的手持设备装有很多主要PC应用程序的缩小版，如Word、Excel、PowerPoint等，并且还具备一些多媒体功能，加快了带彩色LCD显示屏的手持设备的普及，此外无线功能如WLAN和蓝牙也被添加到了最新的PDA或袖珍PC中。

另一方面，蜂窝电话技术可算是近年来发展最成功的技术之一，它已经能够让用户不受限制地使用一整天，却只需用一个晚上来充电，待机时间长达一周、通话时间长达几个小时且无需携带笨重备用电池的蜂窝电话随处可见。先进的3G电话还有更多功能和特性，如PDA功能和多媒体功能，这一技术的终极目标是“智能电话”，将手持计算设备的先进功能和移动电话合并到一个设备中。将来，PDA、袖珍PC和智能电话将具有相似的功能。

尽管技术在发展，但所有的手持设备都面临一个共同的设计挑战，即如何利用现有的电源器件做更多的事，无论该电源是锂电池还是新的电池技术如高能电池，所有的产品设计比的是一次充电所持的最长使用时间。对于寻找最佳产品满足其需要的消费者来说，电池使用时间一直是个关键的决定因素。

一种名为自适应电压调整(AVS)的先进技术可以将便携式设备的电池使用时间延长25%到400%，这项技术使手持系统动态地调整性能和功耗以便将便携式设备的电池使用时间尽量延长。现在我们以数字蜂窝电话为例进行说明，在它上面采用这种电路可以获得很多好处。

蜂窝电话的演变

如今的蜂窝电话已变成了一种消费类产品，每款新设计都必须提供更好的特性和功能，越来越多的娱乐功能被添加上去。最新的蜂窝电话都有较大的彩色屏幕、MP3播放器、PDA功能、FM收音机、数据调制解调器以及一个百万像素数字相机，待机时间长达一周，通话时间长达几个小时，且无需携带笨重的备用电池，这样的手机现在已随处可见。通过功能模块的智能开关控制以及由大量调节器组成的分布式电源架构，电池寿命能够到这样的效果。

而第三代(3G)电话则完全是另一码事(图2)，这些电话具有语音、数据和多媒体功能，例如具有无线连网、发送数字图像、SMS、电子商务以及视频会议等功能。与2G电话相比，新的多媒体3G电话平均功耗将大大增加(图3)。随着工艺技术的提高，尺寸和电压不断降低，设计师们能在裸片上添加更多的器件和功能，同样，电池技术相对较成熟，电源管理单元的任务也变得更加复杂。

电源传递方案的效率已无法再提高，决定利润的将是如何管理功耗。将电源传递和功耗结合起来考虑可以获取巨大收益，AVS方案可在不影响系统性能的情况下延长电池使用时间。

自适应电压调整

传统上用功能模块的开关控制来降低手持系统的功耗。但是基带部分是3G电话的心脏，必须一直开着才能实现3G电话的许多功能，因此降低处理器时钟频率即时钟频率变换是延长电池使用时间的另一条途径(图4)。

在传统蜂窝电话系统中，基带部分设计用于高数据量传输，以便处理诸如视频压缩等应用需求，它的V_DD是不变的(图4)。然而计算量根据处理的内容不同而有很大不同，实际上工作任务需求经常是比较轻的(图5)。当处理器具有较低时钟频率(即处于低性能模式)时，其最低电源电压V_DD低于高性能模式下处理器额定电源电压，因此，如果电源电压能够根据性能模式而动态改变的话，总功耗就可以降低。

AVS通过一个反馈机制，动态地将电源电压调节到给定工作负荷(即数据传输量)所需最低值，在高性能模式中采用额定电压，在低性能模式中则降低电压。简言之，AVA根据时钟频率来改变电源电压。

改变基带处理器的电源电压可以以几何级数降低功耗，因为任何数字VLSI电路所消耗的功率都与其电源电压的平方成正比。累积能耗是电池管理中的主要性能数据，因为一块充满的电池其储存的能量是有限的，将时钟速率改变与AVS结合起来比开关控制能降低更多功耗(图5)。

成功实现AVS的关键就是在基带芯片里包含系统功率管理电路，即称为AVS Implant的部分(图6)，这个重要的模块里含有一些专有电路和算法，可以确定某一数据传输量的最佳电压。通过将误差信号送到电压调节器的参考输入端，可以生成最佳V_DD，无需留出不必要的电压余量，因为这只会浪费能量。对任何闭环方案来说，环路带宽是很重要的，环路快速回转和稳定性将决定基带电源能够在多大范围动态调整以满足突发的工作量的需要。

AVS Implant测试芯片

基带处理器上的AVS将基带和一个LM2612之类的开关调节器连成一个完整的闭环系统，可以动态地将数字电源电压调节到特定操作所需的最低水平，装在基带处理器上的一个植入模块将密切监视功耗状况。

植入模块含有约3,000个逻辑门，可准确地估计消耗的功率，并将它报告给电源传递系统如开关调节器，电源传递系统对基带处理器采用最佳电压来满足性能需求。

国家半导体公司已经开发出了测试芯片以在3G电话中证明AVS方案的有效性。基本测试芯片含有一个双16位乘法累加单元(MAC)，以及一个用于自适应电压调整的植入模块。该芯片是用传统的0.5μm CMOS工艺开发的。

图7显示了不同时钟频率下AVS测试芯片的相对功耗。在低和高时钟频率之间存在巨大的功耗差，AVS在测试芯片上节省的功耗可高达42%(图8)。在典型3G电话使用模式中，功耗的节省也是很大的。待机时的最大节省值受到次级阈值泄漏的限制，而视频模式没有节省则反映了该模式具有较高计算需求。注意，表中的数值只是基带处理器功耗节省值。

电源管理技术趋势

a.从LDO转向磁开关转换器

传统上用LDO调节器为手机各种子系统供电。最近，采用更深亚微米工艺的数字电路的发展将工作电压降到了1.2V，这一发展加上配备更轻电池的小型化蜂窝电话的推动，使得LDO调节器应用逐渐消亡，因为其效率非常低。

举例来说，用0.13微米工艺制造的基带处理器通常需要额定的1.3V电源，而单个锂电池的输出电压全充满有4.2V，最低也有2.7V，因此必须通过LDO调节器降掉很多电压，造成平均转换效率仅为36%。

因此，对于超低压电路如手机基带处理器就应采用更高效的开关调节器。迄今为止，这些专用开关调节器已成功地进入了蜂窝电话市场，因为它们在将电池电压转换成超低电压时只浪费很少的能量。

事实上，一个设计合理的同步降压开关调节器如国办的400mA可编程PWM降压调节器LM2612，其峰值转换效率可以超过90%，脉冲频率调制(PFM)模式即使在很轻负载时(如待机状态)也同样保持高效转换。它采用微芯片级微SMD封装，外形尺寸为2.25×2.5mm，高0.6mm，可以节省线路板空间(图2)。

b.从分立构件模块到功率LSI

子系统的分立元件将被集成到一块芯片中，以满足更薄、更轻和更小的要求，它还可提高整个系统的可靠性。有两个例子：

照明管理单元(LMU)：

LP3933/36是一个照明管理系统，用来为那些通常带有一个相机、一或两个红绿蓝(RGB)指示LED、一个主显示屏和一个副显示屏的翻盖式手机提供高效、全功能显示屏照明控制与驱动。

集成了升压调节器和脉宽调制(PWM)照明控制功能的LP3933/36最多可以驱动6个白色LED和2套RGB指示LED(LP3936只能持1套)。它通过SPI串口控制，采用32引脚层压CSP塑料封装。

功率管理单元(PMU)/模拟功率单元(APU)：

它将手机的功率/模拟电路集成到一块芯片中。

本文结论

下一代基于数据和多媒体的智能电话对电源的需求无法通过用传统电源管理方案逐步提高效率来满足。本文提出的AVS概念表明，管理功耗而不仅仅是电源传递将为下一代电话提供最佳用户体验。

与传统电源管理概念相比，AVS可大幅降低整体功耗，其它大功耗电路模块(如RF)也完全可以采用类似方案来更多降低功耗。AVS应用还有很长的路要走，其最终的目标是为功能丰富的3G电话提供消费者所期望的电池使用时间。