应用处理器的电源管理设计

应用处理器的电源管理设计

     在最新的PDA、智能手机和手机的高集成应用处理核心中，便携电子的设计创新数量遵从摩尔定律呈指数式增长。从系统设计的角度看，不断增加的功能数量几乎每数年就能翻一倍，与消费者对新功能的无限需求保持同步增长。按照摩尔最初的理论，实现某种系统功能的总成本必须为最小。为了在保持成本的情况下迎接种种设计挑战，采取重新利用现有设计并在其上增加新的功能的做法，这样可以分摊工程设计的费用。今天的系统单芯片（SoC）解决方案承担着满足这些挑战的重任。不断增加的功能把电池功率预算延长到高端消费应用的极点，如背光彩色LCD屏、音频子系统、拍照功能、WLAN、蓝牙®通信以及其它集成的射频/模拟功能。由于对语音、数据、网页浏览以及音频/视频回放功能的需求，对先进电源管理的挑战也成为关键。图1显示了新增功能数量与电池寿命预期的发展图。
    

     图释：
    
     Monochrome LCD module：单色LCD模块
     Timeline：时间
     (Average battery life)：电池平均寿命
     SD/MMC slot：SD/MMC插槽
     Proc. DVM：处理器 DVM
     Voice recording：语音录音
     Digital camera：数码相机
     Added peripherals and higher density functions (approx.)：
     增加的外设和更高密度的功能（近似）
    
     上一代处理器的省电模式
    
     省电模式通常是在处理器中预先编好的，包括打盹模式、突发模式和睡眠模式。对一个PDA来说，系统可以处理用户请求的任务（如触摸屏输入），然后进入等待模式，等待下一个输入。在等待期间，只有LCD屏幕保持供电，而处理器被程序设为打盹模式，可以由以后发生的中断事件取消。对于数据轮询应用中使用的突发模式，可以通过减少CPU的工作周期，降低处理器的最高工作频率（此时处于最大功耗状态）。同样，在中断事件时可以禁用突发模式。当电池电量达到一个重要的低限或电池断电时，处理器可以被程序设定进入睡眠模式，此时所有的功能都处于非激活状态，只有实时时钟（RTC）保持运行。为了维持正确的日期与时间功能，RTC一般只有不到1µA的电流。因此省电功能一般由嵌入的处理固件代码来完成。
    
     保存应用处理器电能的设计考虑
    
     应用处理器是SoC解决方案的重要补充，今天的低功耗设计要考虑每兆赫兹毫瓦(mW/MHz)等级的功耗性能。某些应用处理器最低可以达到0.08mW/MHz，最高到0.42mW/MHz。为了支持更多的节电功能，还可以采用集成的智能LCD显示屏，它有内置存储器，用于缓存图像，并有一个独立的控制器，可以节省用于屏幕刷新的CPU周期。其它方法是通过0.13微米晶圆工艺实现的，既降低了内部I/O和核心电压，又控制着泄漏电流。其它技术包括采用电源管理软件来减少CPU工作周期和频率。
    
     该技术的一个应用实例是基于ARM®的Intel PXA27x XScale®处理器架构，它可以智能切换到各种低功耗模式，“即时”完成电压和工作频率的直接缩放，同时仍保持所需应用性能。PXA27x有六种工作模式（正常、空闲、深度空闲、等待、睡眠和深度睡眠），提供更好的节能效果。PXA27x架构采用了可独立通、断的电源域，需要多达10个分离的电源域。通过降低处理器输入核心电压和工作频率，该处理器可以减少一半电源需求。通常一个处理器的功耗与核心输入电压的平方成正比，即有下式：
     P = C*(V2f)
     C：芯片电容
     V：核心电压
     f：频率
    
     为满足PXA27x的节能的优点，电源管理IC（PMIC）解决方案仍面临着一长串电压需求，包括1.1、1.3V、1.8V、2.5V和3.3V。为了支持动态电压缩放，PMIC将需要一个额外的可编程输出电源，提供0.85V至1.55V范围内的核心电压。可编程范围内的步长值为50mV至100mV（见图2）。PMIC采用一个连接到可编程寄存器的通用I2C总线，简化了与多数应用处理器的接口。
    
     选择可充电的后备电池
    
     常见的单芯锂离子（Li-Ion）电池额定电压为3.6V，实际电压范围从2.7V 至充满时的4.2V。在便携电源设计中，其它类型的电池包括锂聚合物（Li-Pol）、锂/二氧化锰（Li-MnO2）扭扣电池，以及镍氢（Ni-MH）电池。锂离子电池具有最高的单位重量密度，但由于性能比较活泼，一般需要某种保护电路。Li-Pol电池的外形尺寸较薄，没有易燃性问题。智能手机和手机的外形设计比薄型的PDA更有灵活性，因而可以使用较高能量密度的电池。
    
     图释：
    
     Dynamic Voltage Management (DVM) DC-DC Converter：
     动态电压管理（DVM）直流-直流转换器
     VOUT ranges: 0.80V to 1.80V in 50 mV steps：
     VOUT 范围：0.80V 至 1.80V，步长 50 mV
    
     选择电源管理器件
    
     经过对电源需求的逐项评估后，我们可以主要考虑两种电源拓扑结构：
    
     用于数字负载和射频负载的可编程低压降（LDO）稳压器，以及用于后备电池的固定LDO
    
     用于轻、重两种负载的可编程 直流-直流 开关稳压器
    
     对于低输入电压和低输出电流的多个输出，采用CMOS工艺、集成多个LDO的单只芯片是最佳选择。LDO应支持100mV的典型压降。为驱动射频电路，LDO还应支持低输出噪声，如每个给定带宽100µVRMS。每个LDO都应该有使能/禁止功能。当LDO被禁止时，静态电流应该在µA量级，以延长电池的寿命。
    
     根据高效和大电流驱动的要求选择降压开关直流-直流稳压器，可以为便携设备的供电提供一种平衡的方案。为了减少功耗和延长电池寿命，最好选择一款效率高于90%的PMIC器件。为实现这个目标，PMIC器件要用同步整流方法尽量减小开关损耗。此时要使用内置MOSFET，而不是效率较低的普通肖特基二极管。但MOSFET自身也有能产生高正向压降的二极管，此时用一个并联肖特基管就可以防止这个正向压降。当然，在便携功率应用中，将MOSFET集成在PMIC中是标准做法。开关降压稳压器需要管理占空比，以节省它的电流输出驱动能力。当开关稳压器驱动重负载时，可以使用固定频率的PWM模式。而驱动轻负载时，开关稳压器可以转换到较低频率下采用PFM或脉冲跳跃模式。降压稳压器可以支持100%的工作周期，即使输入电压降低到最低限度时，也可以支持输出电压的低压降控制。与LDO相同，开关 降压 稳压器也需要使能/禁止功能。
    
     另外一个重要功能是有板上电池监控的后备电池充电器，以及在备份电池与LDO供电VCC-BATT之间的自动转换。幸运的是，集成化的电源管理解决方案可以满足以上功能的多数需求。最新推出的解决方案能够提供增强的SoC解决方案（见第2页LP3970一例），以前方案需要多支PMIC，且不支持动态电压管理。
    
     系统设计的其它电源需求
    
     应用处理器通常也支持其它外部设备，包括外部SRAM、蓝牙、WLAN/802.11x、相机接口、MMC/SD卡、内存棒、USB接口、外部图形处理器、LCD显示屏和背光显示（如图3所示）。设计工程师要组织管理更多的外设电源需求并作出自己的理性选择：开关直流-直流降压稳压器和/或LDO能否支持这些增加的电压轨。
    
     图释：
    
     PXA27x XScale® processor：PXA27x XScale®处理器
     Graphics engine：图形引擎
     LCD interface：LCD接口
     SD/CF memory card：SD/CF存储卡
     White LED backlit management unit：白色LED背光管理单元
     Flash/RAM and memory stick：闪存/RAM与内存棒
     Bluetooth® module：蓝牙模块
     Audio subsystem：音频子系统
     Keypad：小键盘
     LCD display：LCD 显示屏
     Buck regulator(s)：降压稳压器
     Backup battery：后备电池
     Camera：相机
    如欲进一步查询有关美国国家半导体电源产品的资料，可浏览 http://www、national、com/CHS/appinfo/power/ 网页。