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采用降压转换器进行动态电压控制,降低便携功耗

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作者:安森美半导体时间:2007-12-30来源:电子产品世界收藏

  在传统的2G技术基础上的2.5G (GPRS)、2.75G (EDGE)和3G乃至更先进技术的所占的比例越来越高。这些较新或最新型的一个共同点,便是在传统的语音通话等基本功能之外,又或多或少地集成了其它的功能,如MP3播放、拍照、视频播放、游戏、移动电视和GPS等。另一方面,手机的屏幕也越来越大。这些功能或特色为手机带来了更大的功率需求。

  但是,手机等便携产品所用电池在技术和商业应用方面的速度远远跟不上新型手机的功能集成及其所带来的功率增加速度。也就是说,手机可用电池电能与新功能所要求的额外电量之间存在着很大的差距,这导致新功能手机在通话时间和电池使用时间上普遍地较较老的2G手机逊色。

  因此,横亘在工程师面前的是两项挑战:一是适应高集成度的趋势,二是延长电池使用时间。在现有电池技术没有根本性突破的情况下,电池的电量得不到大幅提升,因此,只能在降低手机不同功能的功率消耗方面下功夫。也就是说,低功耗设计对于成功的便携设计而言越来越关键。

  手机不同功能的功耗及降耗方法

  手机包含不同的功能模块,如调制解调器(MODEM)和射频放大器、处理器、存储器、音频、显示和背光及其他功能。不同功能模拟的功率消耗也各不相同。以一部智能手机为例,手机MODEM和射频放大器这部分的电流消耗非常可观,特别是射频放大器要求很高峰值电流,因此这总分消耗的手机电池电量比任何其它部件都多,大约相当于总量的40%。

  此外,主处理器需要运行操作系统,负责整个系统的控制,这部分的功率消耗约占总功耗的20%。此外,音频和用户界面(显示和背光)各自约占10%的功耗。余下的则为存储器和其它功率消耗。

  图1显示了智能手机各个部分的功率消耗所占比例。要实现成功的低功耗设计,就需要分析和充分利用各个部分的降耗潜力。对于手机MODEM、RF放大器和音频而言,受噪声约束和最低电压要求等限制,这些占总功耗50%的功耗难以减少。我们需要在剩余的部分中挖掘潜力。其中,就处理器和存储器而言,二者占总功耗的27%,如果能够减小这部分的功耗,对减少总体功耗也就会有所助益。

图1  智能手机中各个功能部分的功率消耗占总功耗的比例

  那么,对于处理器和存储器这样的数字CMOS芯片而言,可以采用什么样的方法来降低功耗呢?主要包括两方面,一方面是通过空闲和休眠等模式来进行数字功率控制,也就是功率管理器件通过空闲、休眠和快速唤醒模式来节省功耗,只有在需要时才会相应的功能模拟供电。另一方面就是采用动态功率控制,也就是将内核频率与内核电压结合起来进行动态调节,以此显著降低功耗。

  图2显示的是描述动态功耗的简单公式,其中P为动态功耗,C为负载电容,V为工作电压,f则为工作频率。需要指出的是,这个公式并未将晶体管泄漏考虑在内,且C值也比较难以估计。

图2  描述动态功耗的简单公式

  动态频率与电压调节的工作流程及示例

  对于同一芯片而言,其频率越高,需要的电压也越高。从图2所示的公式可以看出,单纯降低频率可以降低功率,但对于一个给定任务而言,消耗的总能量E等于功率P与时间t之乘积,而频率与时间之乘积f



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