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作者:Conway Ng
產(chǎn)品市場經(jīng)理
便攜式功率產(chǎn)品部門
美國國家半導(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,很多先進的處理器、DSP和VLSI電路被用來實現(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間盡可能得到延長。
過去三四年里,手持設(shè)備的概念已從簡單的記事簿或數(shù)字詞典演變成了一種真正的手持計算平臺。當今的手持設(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,卻只需用一個晚上來充電,待機時間長達一周、通話時間長達幾個小時且無需攜帶笨重備用電池的蜂窩電話隨處可見。先進的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)的終極目標是“智能電話”,將手持計算設(shè)備的先進功能和移動電話合并到一個設(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)備都面臨一個共同的設(shè)計挑戰(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)計比的是一次充電所支持的最長使用時間。對于尋找最佳產(chǎn)品滿足其需要的消費者來說,電池使用時間一直是個關(guān)鍵的決定因素。
一種名為自適應(yīng)電壓調(diào)整(AVS)的先進技術(shù)可以將便攜式設(shè)備的電池使用時間延長25%到400%,這項技術(shù)使手持系統(tǒng)動態(tài)地調(diào)整性能和功耗以便將便攜式設(shè)備的電池使用時間盡量延長。現(xiàn)在我們以數(shù)字蜂窩電話為例進行說明,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類產(chǎn)品,每款新設(shè)計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、數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器以及一個百萬像素數(shù)字相機,待機時間長達一周,通話時間長達幾個小時,且無需攜帶笨重的備用電池,這樣的手機現(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)性能的情況下延長電池使用時間。
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現(xiàn)3G電話的許多功能,因此降低處理器時鐘頻率即時鐘頻率變換是延長電池使用時間的另一條途徑(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)。然而計算量根據(jù)處理的內(nèi)容不同而有很大不同,實際上工作任務(wù)需求經(jīng)常是比較輕的(圖5)。當處理器具有較低時鐘頻率(即處于低性能模式)時,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)性能模式而動態(tài)改變的話,總功耗就可以降低。
AVS通過一個反饋機制,動態(tài)地將電源電壓調(diào)節(jié)到給定工作負荷(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。簡言之,AVA根據(jù)時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數(shù)降低功耗,因為任何數(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),因為一塊充滿的電池其儲存的能量是有限的,將時鐘速率改變與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,因為這只會浪費能量。對任何閉環(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態(tài)調(diào)整以滿足突發(fā)的工作量的需要。
AVS Implant測試芯片
基帶處理器上的AVS將基帶和一個LM2612之類的開關(guān)調(diào)節(jié)器連成一個完整的閉環(huán)系統(tǒng),可以動態(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植入模塊將密切監(jiān)視功耗狀況。
植入模塊含有約3,000個邏輯門,可準確地估計消耗的功率,并將它報告給電源傳遞系統(tǒng)如開關(guān)調(diào)節(jié)器,電源傳遞系統(tǒng)對基帶處理器采用最佳電壓來滿足性能需求。
國家半導(dǎo)體公司已經(jīng)開發(fā)出了測試芯片以在3G電話中證明AVS方案的有效性。基本測試芯片含有一個雙16位乘法累加單元(MAC),以及一個用于自適應(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顯示了不同時鐘頻率下AVS測試芯片的相對功耗。在低和高時鐘頻率之間存在巨大的功耗差,AVS在測試芯片上節(jié)省的功耗可高達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。待機時的最大節(jié)省值受到次級閾值泄漏的限制,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
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,使得LDO調(diào)節(jié)器應(yīng)用逐漸消亡,因為其效率非常低。
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,對于超低壓電路如手機基帶處理器就應(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)器已成功地進入了蜂窩電話市場,因為它們在將電池電壓轉(zhuǎn)換成超低電壓時只浪費很少的能量。
事實上,一個設(shè)計合理的同步降壓開關(guān)調(diào)節(jié)器如國辦的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)模式即使在很輕負載時(如待機狀態(tài))也同樣保持高效轉(zhuǎn)換。它采用微芯片級微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,它還可提高整個系統(tǒng)的可靠性。有兩個例子:
- 照明管理單元(LMU):
LP3933/36是一個照明管理系統(tǒng),用來為那些通常帶有一個相機、一或兩個紅綠藍(RGB)指示LED、一個主顯示屏和一個副顯示屏的翻蓋式手機提供高效、全功能顯示屏照明控制與驅(qū)動。
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6個白色LED和2套RGB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。
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)用還有很長的路要走,其最終的目標是為功能豐富的3G電話提供消費者所期望的電池使用時間。
