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作者:Conway Ng
產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理
便攜式功率產(chǎn)品部門
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司
語音、數(shù)據(jù)和多媒體功能紛紛作為新功能特性添加到新式便攜式設(shè)備中,很多先進(jìn)的處理器、DSP和VLSI電路被用來實(shí)現(xiàn)這些功能,這使得便攜式設(shè)備平均功耗大大增加,電源供應(yīng)非常緊張。遺憾的是,電池技術(shù)卻并沒有跟上電路技術(shù)的發(fā)展步伐,不能很好地滿足先進(jìn)便攜式產(chǎn)品的需要。本文介紹一種自適應(yīng)電壓調(diào)整方案,它可以應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品的電源管理電路中,在不影響性能的情況下使電池使用時(shí)間盡可能得到延長(zhǎng)。
過去三四年里,手持設(shè)備的概念已從簡(jiǎn)單的記事簿或數(shù)字詞典演變成了一種真正的手持計(jì)算平臺(tái)。當(dāng)今的手持設(shè)備裝有很多主要PC應(yīng)用程序的縮小版,如Word、Excel、PowerPoint等,并且還具備一些多媒體功能,加快了帶彩色LCD顯示屏的手持設(shè)備的普及,此外無線功能如WLAN和藍(lán)牙也被添加到了最新的PDA或袖珍PC中。
另一方面,蜂窩電話技術(shù)可算是近年來發(fā)展最成功的技術(shù)之一,它已經(jīng)能夠讓用戶不受限制地使用一整天,卻只需用一個(gè)晚上來充電,待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一周、通話時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)小時(shí)且無需攜帶笨重備用電池的蜂窩電話隨處可見。先進(jìn)的3G電話還有更多功能和特性,如PDA功能和多媒體功能,這一技術(shù)的終極目標(biāo)是“智能電話”,將手持計(jì)算設(shè)備的先進(jìn)功能和移動(dòng)電話合并到一個(gè)設(shè)備中。將來,PDA、袖珍PC和智能電話將具有相似的功能。
盡管技術(shù)在發(fā)展,但所有的手持設(shè)備都面臨一個(gè)共同的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),即如何利用現(xiàn)有的電源器件做更多的事,無論該電源是鋰電池還是新的電池技術(shù)如高能電池,所有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)比的是一次充電所支持的最長(zhǎng)使用時(shí)間。對(duì)于尋找最佳產(chǎn)品滿足其需要的消費(fèi)者來說,電池使用時(shí)間一直是個(gè)關(guān)鍵的決定因素。
一種名為自適應(yīng)電壓調(diào)整(AVS)的先進(jìn)技術(shù)可以將便攜式設(shè)備的電池使用時(shí)間延長(zhǎng)25%到400%,這項(xiàng)技術(shù)使手持系統(tǒng)動(dòng)態(tài)地調(diào)整性能和功耗以便將便攜式設(shè)備的電池使用時(shí)間盡量延長(zhǎng)。現(xiàn)在我們以數(shù)字蜂窩電話為例進(jìn)行說明,在它上面采用這種電路可以獲得很多好處。
蜂窩電話的演變
如今的蜂窩電話已變成了一種消費(fèi)類產(chǎn)品,每款新設(shè)計(jì)都必須提供更好的特性和功能,越來越多的娛樂功能被添加上去。最新的蜂窩電話都有較大的彩色屏幕、MP3播放器、PDA功能、FM收音機(jī)、數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器以及一個(gè)百萬像素?cái)?shù)字相機(jī),待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)達(dá)一周,通話時(shí)間長(zhǎng)達(dá)幾個(gè)小時(shí),且無需攜帶笨重的備用電池,這樣的手機(jī)現(xiàn)在已隨處可見。通過功能模塊的智能開關(guān)控制以及由大量調(diào)節(jié)器組成的分布式電源架構(gòu),電池壽命能夠到這樣的效果。
而第三代(3G)電話則完全是另一碼事(圖2),這些電話具有語音、數(shù)據(jù)和多媒體功能,例如具有無線連網(wǎng)、發(fā)送數(shù)字圖像、SMS、電子商務(wù)以及視頻會(huì)議等功能。與2G電話相比,新的多媒體3G電話平均功耗將大大增加(圖3)。隨著工藝技術(shù)的提高,尺寸和電壓不斷降低,設(shè)計(jì)師們能在裸片上添加更多的器件和功能,同樣,電池技術(shù)相對(duì)較成熟,電源管理單元的任務(wù)也變得更加復(fù)雜。
電源傳遞方案的效率已無法再提高,決定利潤(rùn)的將是如何管理功耗。將電源傳遞和功耗結(jié)合起來考慮可以獲取巨大收益,AVS方案可在不影響系統(tǒng)性能的情況下延長(zhǎng)電池使用時(shí)間。
自適應(yīng)電壓調(diào)整
傳統(tǒng)上用功能模塊的開關(guān)控制來降低手持系統(tǒng)的功耗。但是基帶部分是3G電話的心臟,必須一直開著才能實(shí)現(xiàn)3G電話的許多功能,因此降低處理器時(shí)鐘頻率即時(shí)鐘頻率變換是延長(zhǎng)電池使用時(shí)間的另一條途徑(圖4)。
在傳統(tǒng)蜂窩電話系統(tǒng)中,基帶部分設(shè)計(jì)用于高數(shù)據(jù)量傳輸,以便處理諸如視頻壓縮等應(yīng)用需求,它的VDD是不變的(圖4)。然而計(jì)算量根據(jù)處理的內(nèi)容不同而有很大不同,實(shí)際上工作任務(wù)需求經(jīng)常是比較輕的(圖5)。當(dāng)處理器具有較低時(shí)鐘頻率(即處于低性能模式)時(shí),其最低電源電壓VDD低于高性能模式下處理器額定電源電壓,因此,如果電源電壓能夠根據(jù)性能模式而動(dòng)態(tài)改變的話,總功耗就可以降低。
AVS通過一個(gè)反饋機(jī)制,動(dòng)態(tài)地將電源電壓調(diào)節(jié)到給定工作負(fù)荷(即數(shù)據(jù)傳輸量)所需最低值,在高性能模式中采用額定電壓,在低性能模式中則降低電壓。簡(jiǎn)言之,AVA根據(jù)時(shí)鐘頻率來改變電源電壓。
改變基帶處理器的電源電壓可以以幾何級(jí)數(shù)降低功耗,因?yàn)槿魏螖?shù)字VLSI電路所消耗的功率都與其電源電壓的平方成正比。累積能耗是電池管理中的主要性能數(shù)據(jù),因?yàn)橐粔K充滿的電池其儲(chǔ)存的能量是有限的,將時(shí)鐘速率改變與AVS結(jié)合起來比開關(guān)控制能降低更多功耗(圖5)。
成功實(shí)現(xiàn)AVS的關(guān)鍵就是在基帶芯片里包含系統(tǒng)功率管理電路,即稱為AVS Implant的部分(圖6),這個(gè)重要的模塊里含有一些專有電路和算法,可以確定某一數(shù)據(jù)傳輸量的最佳電壓。通過將誤差信號(hào)送到電壓調(diào)節(jié)器的參考輸入端,可以生成最佳VDD,無需留出不必要的電壓余量,因?yàn)檫@只會(huì)浪費(fèi)能量。對(duì)任何閉環(huán)方案來說,環(huán)路帶寬是很重要的,環(huán)路快速回轉(zhuǎn)和穩(wěn)定性將決定基帶電源能夠在多大范圍動(dòng)態(tài)調(diào)整以滿足突發(fā)的工作量的需要。
AVS Implant測(cè)試芯片
基帶處理器上的AVS將基帶和一個(gè)LM2612之類的開關(guān)調(diào)節(jié)器連成一個(gè)完整的閉環(huán)系統(tǒng),可以動(dòng)態(tài)地將數(shù)字電源電壓調(diào)節(jié)到特定操作所需的最低水平,裝在基帶處理器上的一個(gè)植入模塊將密切監(jiān)視功耗狀況。
植入模塊含有約3,000個(gè)邏輯門,可準(zhǔn)確地估計(jì)消耗的功率,并將它報(bào)告給電源傳遞系統(tǒng)如開關(guān)調(diào)節(jié)器,電源傳遞系統(tǒng)對(duì)基帶處理器采用最佳電壓來滿足性能需求。
國(guó)家半導(dǎo)體公司已經(jīng)開發(fā)出了測(cè)試芯片以在3G電話中證明AVS方案的有效性。基本測(cè)試芯片含有一個(gè)雙16位乘法累加單元(MAC),以及一個(gè)用于自適應(yīng)電壓調(diào)整的植入模塊。該芯片是用傳統(tǒng)的0.5μm CMOS工藝開發(fā)的。
圖7顯示了不同時(shí)鐘頻率下AVS測(cè)試芯片的相對(duì)功耗。在低和高時(shí)鐘頻率之間存在巨大的功耗差,AVS在測(cè)試芯片上節(jié)省的功耗可高達(dá)42%(圖8)。在典型3G電話使用模式中,功耗的節(jié)省也是很大的。待機(jī)時(shí)的最大節(jié)省值受到次級(jí)閾值泄漏的限制,而視頻模式?jīng)]有節(jié)省則反映了該模式具有較高計(jì)算需求。注意,表中的數(shù)值只是基帶處理器功耗節(jié)省值。
電源管理技術(shù)趨勢(shì)
a.從LDO轉(zhuǎn)向磁開關(guān)轉(zhuǎn)換器
傳統(tǒng)上用LDO調(diào)節(jié)器為手機(jī)各種子系統(tǒng)供電。最近,采用更深亞微米工藝的數(shù)字電路的發(fā)展將工作電壓降到了,這一發(fā)展加上配備更輕電池的小型化蜂窩電話的推動(dòng),使得LDO調(diào)節(jié)器應(yīng)用逐漸消亡,因?yàn)槠湫史浅５汀?
舉例來說,用微米工藝制造的基帶處理器通常需要額定的電源,而單個(gè)鋰電池的輸出電壓全充滿有,最低也有,因此必須通過LDO調(diào)節(jié)器降掉很多電壓,造成平均轉(zhuǎn)換效率僅為36%。
因此,對(duì)于超低壓電路如手機(jī)基帶處理器就應(yīng)采用更高效的開關(guān)調(diào)節(jié)器。迄今為止,這些專用開關(guān)調(diào)節(jié)器已成功地進(jìn)入了蜂窩電話市場(chǎng),因?yàn)樗鼈冊(cè)趯㈦姵仉妷恨D(zhuǎn)換成超低電壓時(shí)只浪費(fèi)很少的能量。
事實(shí)上,一個(gè)設(shè)計(jì)合理的同步降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器如國(guó)辦的400mA可編程PWM降壓調(diào)節(jié)器LM2612,其峰值轉(zhuǎn)換效率可以超過90%,脈沖頻率調(diào)制(PFM)模式即使在很輕負(fù)載時(shí)(如待機(jī)狀態(tài))也同樣保持高效轉(zhuǎn)換。它采用微芯片級(jí)微SMD封裝,外形尺寸為×,高,可以節(jié)省線路板空間(圖2)。
b.從分立構(gòu)件模塊到功率LSI
子系統(tǒng)的分立元件將被集成到一塊芯片中,以滿足更薄、更輕和更小的要求,它還可提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。有兩個(gè)例子:
- 照明管理單元(LMU):
LP3933/36是一個(gè)照明管理系統(tǒng),用來為那些通常帶有一個(gè)相機(jī)、一或兩個(gè)紅綠藍(lán)(RGB)指示LED、一個(gè)主顯示屏和一個(gè)副顯示屏的翻蓋式手機(jī)提供高效、全功能顯示屏照明控制與驅(qū)動(dòng)。
集成了升壓調(diào)節(jié)器和脈寬調(diào)制(PWM)照明控制功能的LP3933/36最多可以驅(qū)動(dòng)6個(gè)白色LED和2套R(shí)GB指示LED(LP3936只能支持1套)。它通過SPI串口控制,采用32引腳層壓CSP塑料封裝。
- 功率管理單元(PMU)/模擬功率單元(APU):
它將手機(jī)的功率/模擬電路集成到一塊芯片中。
本文結(jié)論
下一代基于數(shù)據(jù)和多媒體的智能電話對(duì)電源的需求無法通過用傳統(tǒng)電源管理方案逐步提高效率來滿足。本文提出的AVS概念表明,管理功耗而不僅僅是電源傳遞將為下一代電話提供最佳用戶體驗(yàn)。
與傳統(tǒng)電源管理概念相比,AVS可大幅降低整體功耗,其它大功耗電路模塊(如RF)也完全可以采用類似方案來更多降低功耗。AVS應(yīng)用還有很長(zhǎng)的路要走,其最終的目標(biāo)是為功能豐富的3G電話提供消費(fèi)者所期望的電池使用時(shí)間。
