便携式产品方案的模拟和数字低功耗技术分析

随着便携式产品的功能日益丰富，对单电源也提出了更高的要求，电量消耗更大，电池使用寿命相应缩短。此外，模拟或数字基带IC处理器、中央处理器以及图形/音频处理器也变得越来越高级，而且集成度也越来越高。随着产品功能的增多、IC的集成度提升，需要更多的电源轨，或在同样数量的电源轨条件下需要更高的电源电流。为满足更长的电池使用寿命要求，需要采用先进的电源管理技术，而静态与动态功率管理是电源管理的关键。

低功耗工艺与电路技术

为了解决上述设计困境，众多技术纷纷问世，其中包括半导体制造工艺。用于DSP或OMAP内核的标准数字IC制造技术采用90nm工艺，并且最新一代65nm工艺已经在2005年下半年投入量产。每一次的工艺改进通常都伴随着晶体管密度的成倍增加，这不仅可使功能相当的设计占用面积缩小一半，同时还能将晶体管性能提高近40%。先进的工艺能够大大降低内核电源电压需求，而电流需求不变，或者甚至更高。但是另一方面，漏电功耗显著增高也会进一步降低性能。

为了满足功耗要求并应对低功耗设计挑战，我们需要开发新的生产与工艺技术，例如德州仪器最近针对DSP与OMAP处理器推出的SmartReflex技术。利用该技术在硅IP级的静态漏电功耗可以大幅降低1,000倍。

SmartReflex不仅可以降低整体功耗，而且还能优化系统性能并延长电池使用寿命。利用各种智能与自适应软、硬件技术，SmartReflex技术可以根据器件的活动、工作模式以及温度的变化动态地控制电压。其中包括动态的自适应电压缩放、动态电源切换以及待机漏电管理等。对于动态电压缩放功能，这一主题还涉及到了外部电源管理的硬件与软件。例如，根据处理器的负载，可以调节内核电源电压，以满足全部性能需求或者降低待机模式的功耗。

模拟和数字节电技术

根据所采用的系统，分立LDO、中或低功耗DC/DC转换器、多通道电源管理单元(PMU)或者其他电源均可负责板级供电和处理器供电。电源管理设计可为各种处理器环境提供必要的电压轨以及正确的电压与电流。如果应用切换到关闭或者进入预定义的“节电”模式，一般情况下所有的处理器和电源管理器件都会进入轻负载或待机模式。因此，当前电压电平将会进一步降低，同时功耗也降至最低。在最理想的情况下，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，一旦电源管理设计完成，改变电压轨电平的空间就会很小。

分立式低功耗降压DC/DC转换器与高集成度多通道PMU最近已经可以采用串行I2C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、处理器控制功能与标准串行I2C接口相结合，数字单元与模拟电源管理IC之间将能够实现前所未有的高性能信息交换。电压、电流和功耗预算的实时调节已经成为现实。另外，还可实现对电源管理及监控的软件控制，因而在现有的满负载到系统待机模式之间可以存在多种省电模式。

I2C接口具有两种不同的速度选项：标准的100kbps和快速的400kbps。利用分立式低功耗DC/DC转换器或PMU，设计师现在可以动态地精确调整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供电电压。这种设计需要使用快速DC/DC转换器，例如开关频率为3MHz以上的转换器可确保快速信号的瞬态响应。另外，低功耗DC/DC转换器或PMU应具备不同的工作模式(如PFM或强制 PFM(Forced-PFM))，以便通过自调节或通过I2C控制信号进入某个系统电源配置。

图1：TPS62350典型应用电路

图2：TPS65020应用示意图

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，因此使每种工作条件或处理器模式的功耗均实现最低，从而延长电池使用寿命，减少器件发热量并增强整体系统性能。

具备I2C的电源管理器件

TPS62350分立式低功耗DC/DC转换器采用了SmartReflex技术。采用微型12球栅芯片级封装(CSP)的该款单通道降压转换器可在单锂离子电池的输入电压范围内提供高达800mA的输出电流。利用其I2C接口可调整输出电压以支持最新一代的处理器，以及可以“微小步长”调整电压轨，最低到0.6V。这种可编程的DC/DC转换器能够显著延长3G智能手机、PDA、数码相机以及其他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像TPS65020这样的器件。该器件是一款高度集成的PMU，具有六个输出通道、三个低功耗DC/DC转换器以及三个LDO。例如，在该器件，I2C可以动态地调整并测量通常为处理器内核供电的主DC/DC转换器的输出电压。另外两个DC/DC转换器可用于为I/O电源、存储器或其他功能供电。此外，通过I2C也可以使不同的构建模块(如IC上所有三个LDO或DC/DC转换器)在开/关之间切换，以降低整个PMU的功耗及发热量。“关闭”不同的构建块也可动态地降低静态电流的消耗。

本文小结

除了上述省电方案之外，新的制造技术在未来将扮演重要角色。随着工艺技术从90nm发展到65nm及更先进的工艺，本文介绍的技术实现方法将变得更为重要。另外，数字信号处理器内核及其分立模拟电源组件之间将实现更多的通信交互，以实现灵活的功率实时调节与软件控制方案。总之，这些进步与技术方法必须良好融合才能优化性能，并最大限度地延长电池使用寿命。