便携应用的电源管理面临的挑战有哪些

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作者：Ramprasad Anantbaswamy

螺旋能源成本以及全球变暖等环境问题意识的提高，为半导体行业的能效发展带来全新的机遇。当今市场上大多数电子设备的电池使用时间基本都无法满足性能需求。由于广大消费者喜欢更具移动性的生活方式，因此对于电源管理 IC 的需求便随之增长。我们非常需要一些能够有效控制汽车系统从而降低电子辐射并且让其他有助于我们降低日常功耗的消费类产品获得更长使用时间的芯片。

便携消费类电子设备制造厂商们一直以来都面临的挑战是研制高成本效益、高性能、多功能且具有更长电池使用时间的解决方案。厂商还不得不缩短开发时间，以在市场上率先推出新的产品。开发出具有嵌入式迷你 DSP 的超低功耗编解码器和强大的图形编程工具以后，厂商们便可以满足各种复杂的要求。许多新一代超低功耗编解码器在低功耗运行模式下可以通过一个单 1.5V 到 1.8V 电源运行模拟和数字内核。例如，一些音频应用中，通过在 1.26V 低压（上网本可低至 0.6V 到 0.7V）下运行数字内核，降低功耗是有可能的。

尽管许多设备都有低功耗运行模式，但是附加功耗调节选项让设计人员可以根据单个配置和处理选项来自定义其功耗。这样便允许设计人员根据输入及输出通道、输出驱动要求、采样率、输入和输出的理想SNR性能以及所使用的处理特性来动态优化功耗调节，以达到最小化功耗的目的。功耗调节可带来便携音视频设备电池使用时间的巨大差异。将超低功耗数据转换和低功耗信号处理集成到一块芯片中，可在那些包括应用处理器和编解码器的传统系统构架中带来意义重大的低功耗实现可能性。这些构架中，超低功耗编解码器可以实现应用处理器的某些或者所有音频处理功能。实现更长电池使用时间的许多强大工具之一便是具有嵌入式迷你DSP的超低功耗编解码器。这些器件及其强大的图形编程工具为许多便携式音频处理和通信系统构架提供低功耗音频解决方案。

在不久的将来，我们将会拥有许多可以工作一整天而无需充电的上网本和笔记本电脑。在便携产品功能设计方面大概存在三种挑战：理解全部系统功耗预算；设计高效的功耗转换器和控制器以便最小化损耗；以及交互式地管理系统的功耗要求。

便携消费类电子市场竞争激烈，并且发展迅速。快速市场投放和超低功耗让厂商们可以在开发出差异化产品的同时缩短其设计周期。新一代便携式消费类设备（例如：无线耳机、智能电话、PDA 和媒体播放器等）以拥有更多功能、更高性能级别和更小的解决方案尺寸为傲。由于其最新的一些特性，这些设备无一例外地都需要极大的功耗。例子包括：3 百万或者更高像素分辨率的相机、高功耗闪光灯 LED 或者氙气灯、高级音频和扬声器功能、具有高分辨率 LCD-TV 显示器的 GPS 和电话等。广大设计人员均面临静态和动态功耗要求的挑战。随着便携式设备变得越来越多功能，功耗要求也快速增加。结果，电池使用时间变得越来越短。

随着 IC 的集成度变得越来越高以及功能的增加，需要更多的电源轨，或者相同电源轨要求更高的电源电流。大多数便携式消费类应用都使用标准高性能锂离子电池（一般为单节电池配置）。这种限定电量的情况下，厂商们必须要知道消费者是否喜欢更短电池使用时间的多功能应用，或者对功能数量及其应用的功能要求进行控制。今天的消费者想要长电池使用时间的高端设备。为了打破便携设备功耗的困局，我们使用了许多技术方法。要满足处理器的功能需求，IC 厂商们带头降低特定性能级别的功耗。满足功耗要求和应对低功耗挑战，需要开发新的处理技术。例如，一种被称为 SmartReflex 的方法，用于 DSP 和 TI 的 OMAP 处理器。它可以降低总功耗，优化系统性能，并增加电池使用时间。利用许多智能和自适应软硬件方法，它可以根据设备活动、运行模式和温度动态地控制电压、频率和功耗。电源管理设计提供必要的电压轨，并根据处理器需求调节电压和电流。如果应用关闭或者处于预定义功耗"省电"模式，则所有处理器和电源管理器件一般使用轻负载或者待机模式。这样，电流电压水平降低，同时电流消耗降至最低。不同运行状态下，IC 本身将消耗尽可能少的电流，低至几微安。一旦完成便携式设备设计，便几乎没有什么可以影响电压轨层了。

集成电源管理器件的一些串行接口带来一些新的影响层。另外，可以实现软件控制电源管理和监控，并且可在现有全负载和系统待机模式之间使用多种省电模式。使用I2C接口的动态电压调节 (DVS) 具有两种不同的速度选项：标准100kbps和快速400kbps。在离散式低功耗DC/DC转换器或电源管理单元中使用这种方法以后，设计人员可以动态、精确地影响电源管理器件的输出电压，并调节所有处理器单元的内核电源电压。这种设计让系统可以满足精确的性能要求，无需牺牲整体性能。因此，最低功耗用于处理器模式的每种运行状态，从而延长电池、降低每器件散热，并提高总系统性能。可编程DC/DC转换器帮助延长3G智能电话、PDA、数码照相机和其他便携式应用的电池使用时间。使用I2C接口降低功耗的另一种方法是使用一些更复杂的器件，例如：TPS65020等。它是一种高集成PMU，具有六条输出通道、三个低功能DC/DC转换器（拥有高达97%的效率）以及三个LDO。不同的构件（例如这种IC的所有三个LDO或DC/DC转换器），可以通过I2C来关闭/开启，以降低全部PMU的功耗和散热量。

关闭不同构件，还可降低静态电流消耗。除已经讨论过的一些功耗节省方案以外，新的制造技术将在未来起关键作用。DSP内核及其离散模拟功耗元件之间的通信量将增加，以允许灵活的导通时间功耗调节和软件控制功耗方案。所有这些改进和方法必须一起协调工作，来优化性能和最大化电池使用时间，以让消费者获益。

未来，广大消费者将需要通过更小、更轻的便携式设备获得高质量的移动视频/音频娱乐，而这些设备要求更多的功能和更高密度的存储，从而推动半导体厂商们考虑使用新的设计和制造解决方案。我们不仅仅必须要改变我们所做的，而且要改变我们做事情的方式。只需清楚地了解我们的处境以及我们怎会处在这样的处境中，我们才能找到一条通过未来的正确道路。认识到没有解决高功耗需求问题的良方这一点很重要。反之，应将努力方向集中于那些能够帮助系统设计人员理解性能和功耗含义的工具上面来。现在该提供一种系统级解决方案，而非一种元件级解决方案，而 TI 独有能够满足这种市场需求的优势。

作者简介

Ramprasad Ananthaswamy 现任 TI 电源管理产品总监。

编辑：fqj