什么电路能提高电池寿命 LDO如何提供正确的电压

你可能已经在智能手机上播放过数百甚至数千个视频了。但是你有没有想过，当你按下“播放”键时会发生什么？

你一碰到那个小三角形，许多事情就同时发生了。在几微秒内，手机处理器上的空闲计算核心就开始活跃起来。当他们这样做时，其电压和时钟频率会迅速上升，以确保视频解压缩和显示不会延迟。同时，在后台运行任务的其他内核也会减速。电荷涌进有源磁芯的数百万个晶体管中，而在新闲置的晶体管中，电荷则逐渐变慢。

这种被称为动态电压和频率缩放（dynamic voltage and frequency scaling，DVFS）的“动作”不断地发生在处理器（称为片上系统（SoC））中，它运行着你的手机和笔记本电脑以及支持它们的服务器。

这一切都是为了平衡计算性能和功耗，这对智能手机来说尤其具有挑战性。尽管有电流浪涌，协调DVF的电路仍努力确保稳定的时钟和坚如磐石的电压水平 —— 但这部分也是设计中最累人的。

这主要是因为时钟生成和电压调节电路是模拟的，这与智能手机SoC上的几乎所有其他电路不同。由于半导体制造业的进步，我们已经习惯于近一年一次的新处理器的更新 —— 新处理器的计算能力大大提高。

将一个数字设计从一个旧的半导体工艺移植到一个新的工艺上绝非易事，但与尝试将模拟电路转移到一个新工艺相比，这算不了什么。支持DVFS的模拟组件，特别是一种称为低压差稳压器（low-dropout voltage regulator，LDO）的电路，不像数字电路那样会缩小规模，基本上每新一代都必须从头开始重新设计。

如果我们可以用数字元件代替LDO或其他模拟电路，那么它们的移植难度将大大低于处理器的任何其他部分，从而节省了大量的设计成本，并帮助工程师能够解决尖端芯片设计所面临的其他问题。

此外，由此产生的数字LDO可能比模拟LDO小得多，并且在某些方面性能更好。在过去的几年里，工业界和学术界的研究小组已经测试了至少12种设计，尽管存在一些缺点，但一种商业上有用的数字LDO可能很快就会实现。

低压差电压调节器（LDO）允许同一输入电压轨（VIN）上的多个处理器内核根据其工作负载在不同的电压下工作。在这种情况下，Core 1具有最高的性能要求。它的头部开关，实际上是一组并联的晶体管，是闭合的，绕过LDO并直接将Core 1连接到VIN，VIN由外部电源管理IC提供。但是，Cores 2到4的工作负载要求较低。他们的LDO被用于为磁芯提供电压，以节省电力。

基本模拟低压差稳压器［左］通过反馈回路控制电压。它试图通过控制通过功率PFET的电流，使输出电压（VDD）等于参考电压。在基本数字设计中［右］，一个独立的时钟触发一个比较器［三角形］，该比较器将参考电压与VDD进行比较。结果告诉控制逻辑需要激活多少功率PFET。

智能手机典型的片上系统是集成的奇迹。在一块硅片上，它集成了多个CPU核、图形处理单元、数字信号处理器、神经处理单元、图像信号处理器以及调制解调器和其他专用逻辑块。

当然，提高驱动这些逻辑块的时钟频率会提高它们完成工作的速率。但要以更高的频率工作，它们还需要更高的电压。没有这一点，晶体管就无法在处理器时钟的下一个滴答声之前打开或关闭。

当然，更高的频率和电压是以功耗为代价的。因此，这些核心和逻辑单元动态地改变它们的时钟频率和电源电压，通常在0.95到0.45伏之间——根据它们在分配给它们的任何工作负载中所需的能量效率和性能平衡，拍摄视频、播放音乐文件、在通话中传输语音等等。

通常，外部电源管理IC为手机SoC生成多个输入电压（VIN）值。这些电压沿着称为轨道的宽互连线传输到SoC芯片的各个区域。但是，电源管理芯片和SoC之间的连接数量是有限的。因此，SoC上的多个核必须共享同一VIN轨。

但由于低压差稳压器，它们不必都获得相同的电压。LDO和专用时钟发生器允许共享轨道上的每个磁芯以独特的电源电压和时钟频率运行。需要最高电源电压的磁芯决定共享VIN值。电源管理芯片将VIN设置为该值，该核心通过称为头开关的晶体管完全绕过LDO。

为了将功耗保持在最低限度，其他内核可以在较低的电源电压下工作。软件决定了这个电压应该是多少，模拟LDO在提供这个电压方面做得很好。它们结构紧凑，制造成本低，集成在芯片上相对简单，因为它们不需要大的电感器或电容器。

但这些LDO只能在特定的电压窗口中工作。On the high end，目标电压必须低于VIN和LDO本身压降之间的差值（同名“压降”电压）。例如，如果堆芯最有效的电源电压为0.85 V，但VIN为0.95 V，LDO的漏失电压为0.15 V，则该堆芯无法使用LDO达到0.85 V，必须在0.95 V下工作，从而浪费一些电源。类似地，如果VIN已设置为低于某个电压限制，LDO的模拟组件将无法正常工作，电路也无法接合以进一步降低堆芯电源电压。

迄今为止，限制数字LDO使用的主要障碍是缓慢的瞬态响应。

但是，如果所需电压落在LDO窗口内，软件将启用电路并激活等于目标电源电压的参考电压。

LDO如何提供正确的电压？

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