便攜式產品方案的模擬和數字低功耗技術分析

隨著便攜式產品的功能日益豐富，對單電源也提出了更高的要求，電量消耗更大，電池使用壽命相應縮短。此外，模擬或數字基帶IC處理器、中央處理器以及圖形/音頻處理器也變得越來越高級，而且集成度也越來越高。隨著產品功能的增多、IC的集成度提升，需要更多的電源軌，或在同樣數量的電源軌條件下需要更高的電源電流。為滿足更長的電池使用壽命要求，需要采用先進的電源管理技術，而靜態與動態功率管理是電源管理的關鍵。

低功耗工藝與電路技術

為了解決上述設計困境，眾多技術紛紛問世，其中包括半導體制造工藝。用于DSP或OMAP內核的標準數字IC制造技術采用90nm工藝，并且最新一代65nm工藝已經在2005年下半年投入量產。每一次的工藝改進通常都伴隨著晶體管密度的成倍增加，這不僅可使功能相當的設計占用面積縮小一半，同時還能將晶體管性能提高近40%。先進的工藝能夠大大降低內核電源電壓需求，而電流需求不變，或者甚至更高。但是另一方面，漏電功耗顯著增高也會進一步降低性能。

為了滿足功耗要求并應對低功耗設計挑戰，我們需要開發新的生產與工藝技術，例如德州儀器最近針對DSP與OMAP處理器推出的SmartReflex技術。利用該技術在硅IP級的靜態漏電功耗可以大幅降低1,000倍。

SmartReflex不僅可以降低整體功耗，而且還能優化系統性能并延長電池使用壽命。利用各種智能與自適應軟、硬件技術，SmartReflex技術可以根據器件的活動、工作模式以及溫度的變化動態地控制電壓。其中包括動態的自適應電壓縮放、動態電源切換以及待機漏電管理等。對于動態電壓縮放功能，這一主題還涉及到了外部電源管理的硬件與軟件。例如，根據處理器的負載，可以調節內核電源電壓，以滿足全部性能需求或者降低待機模式的功耗。

模擬和數字節電技術

根據所采用的系統，分立LDO、中或低功耗DC/DC轉換器、多通道電源管理單元(PMU)或者其他電源均可負責板級供電和處理器供電。電源管理設計可為各種處理器環境提供必要的電壓軌以及正確的電壓與電流。如果應用切換到關閉或者進入預定義的“節電”模式，一般情況下所有的處理器和電源管理器件都會進入輕負載或待機模式。因此，當前電壓電平將會進一步降低，同時功耗也降至最低。在最理想的情況下，每個IC僅消耗幾μA的電流。到目前為止，上述情況均為靜態模式，一旦電源管理設計完成，改變電壓軌電平的空間就會很小。

分立式低功耗降壓DC/DC轉換器與高集成度多通道PMU最近已經可以采用串行I2C總線。隨著串行接口在分立電源管理器件中得到使用，對電源電壓提供了新的影響途徑。通過將軟件工具、處理器控制功能與標準串行I2C接口相結合，數字單元與模擬電源管理IC之間將能夠實現前所未有的高性能信息交換。電壓、電流和功耗預算的實時調節已經成為現實。另外，還可實現對電源管理及監控的軟件控制，因而在現有的滿負載到系統待機模式之間可以存在多種省電模式。

I2C接口具有兩種不同的速度選項：標準的100kbps和快速的400kbps。利用分立式低功耗DC/DC轉換器或PMU，設計師現在可以動態地精確調整分立電源管理器件的輸出電壓，進而調整任何處理器單元的內核供電電壓。這種設計需要使用快速DC/DC轉換器，例如開關頻率為3MHz以上的轉換器可確保快速信號的瞬態響應。另外，低功耗DC/DC轉換器或PMU應具備不同的工作模式(如PFM或強制 PFM(Forced-PFM))，以便通過自調節或通過I2C控制信號進入某個系統電源配置。

圖1：TPS62350典型應用電路

圖2：TPS65020應用示意圖

該設計可在不犧牲整體性能的情況下精確滿足系統性能需求，因此使每種工作條件或處理器模式的功耗均實現最低，從而延長電池使用壽命，減少器件發熱量并增強整體系統性能。

具備I2C的電源管理器件

TPS62350分立式低功耗DC/DC轉換器采用了SmartReflex技術。采用微型12球柵芯片級封裝(CSP)的該款單通道降壓轉換器可在單鋰離子電池的輸入電壓范圍內提供高達800mA的輸出電流。利用其I2C接口可調整輸出電壓以支持最新一代的處理器，以及可以“微小步長”調整電壓軌，最低到0.6V。這種可編程的DC/DC轉換器能夠顯著延長3G智能手機、PDA、數碼相機以及其他便攜式應用的電池使用壽命。

借助I2C接口降低功耗的另一種方法是采用像TPS65020這樣的器件。該器件是一款高度集成的PMU，具有六個輸出通道、三個低功耗DC/DC轉換器以及三個LDO。例如，在該器件，I2C可以動態地調整并測量通常為處理器內核供電的主DC/DC轉換器的輸出電壓。另外兩個DC/DC轉換器可用于為I/O電源、存儲器或其他功能供電。此外，通過I2C也可以使不同的構建模塊(如IC上所有三個LDO或DC/DC轉換器)在開/關之間切換，以降低整個PMU的功耗及發熱量。“關閉”不同的構建塊也可動態地降低靜態電流的消耗。

本文小結

除了上述省電方案之外，新的制造技術在未來將扮演重要角色。隨著工藝技術從90nm發展到65nm及更先進的工藝，本文介紹的技術實現方法將變得更為重要。另外，數字信號處理器內核及其分立模擬電源組件之間將實現更多的通信交互，以實現靈活的功率實時調節與軟件控制方案。總之，這些進步與技術方法必須良好融合才能優化性能，并最大限度地延長電池使用壽命。