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

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发布日期:2019年07月02日  所属分类:参考设计