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為可攜式應用選擇先進節能技術

上網時間 : 2006年09月11日

包括無線手機、智慧型手機、PDA和媒體播放機在內，新一代可攜式消費電子產品均可以提供更豐富的功能、更強大效能、與更精巧的體積。這些擁有最新功能的裝置包括解析度超過300萬畫素的相機、高功率的相機閃光燈LED或氙氣燈、先進的音訊和喇叭功能、無線電話以及可隨身攜帶的高解析度液晶電視，都需要更多的電力供應。

由於上述設備對電力的需求愈來愈迫切，因此，靜態與動態的電源需求管理不僅對基於電池供電的產品極為重要，對於設計人員也提出了艱鉅挑戰。隨著可攜式裝置的功能日益豐富，它們的耗電總量也在快速增加中，這也使電池的壽命明顯縮短。

此外，類比與數位基頻元件的處理器單元、中央處理器主機以及繪圖/音訊處理器的先進程度和功能整合度正不斷提高。隨著這些元件所整合的功能日益增加，它們需要更多組電源，每一組電源也需要提供更大的電流。

多數可攜式消費產品通常只會使用一顆標準的高效能鋰離子電池。由於這樣的電力供應相當有限，製造商必須判斷客戶是否願意為更多功能而犧牲部份電池壽命，還是寧願減少應用產品的功能和電力需求。然而今日的客戶自有主見，他們希望魚與熊掌兼得：亦即在不縮短電池壽命的情形下提供更先進的高階產品。

新興節能技術

許多技巧都可用來解決這些設計困境，例如，許多半導體廠商正設法降低特定效能下的耗電量以滿足處理器要求。以TI為例，其DSP或OMAP核心的標準數位元件製造技術除採用90奈米技術外，新一代65奈米技術也已在2005年底量產。製程技術每進步一個世代，電晶體密度通常就會增加一倍，相當於將設計縮小為原來的一半，電晶體效能則提升將近四成。這種做法可大幅降低核心的操作電壓，電流需求則大致保持相同或升高。另一方面，它會造成漏電現象更嚴重，甚至抵消原本帶來的效能優勢。還有許多類比與數位元件省電技術是與它們的生產製造無關，例如多種低耗電模式，時脈閘控以及電壓與頻率的動態調整，這些技術都在設計中扮演重要角色。

要滿足電源需求並克服省電挑戰就必須發展新的生產與製程技術，TI最近針對DSP和OMAP處理器所推出的新技術SmartReflex就是一個例子，它不僅將矽智財層級的靜態漏電大幅減少1,000倍，還能調整不同元件和系統建構模組的耗電量與效能，同時利用一組電源管理單元把電路分成多個電源區來各自管理。

類比與數位省電功能

整體而言，SmartReflex可以減少耗電總量、實現系統效能最佳化、並延長電池壽命。它會偵測元件的工作量、操作模式和溫度，然後利用多種智慧型和適應性硬體與軟體來動態控制電壓、頻率和電源，包括動態和適應性電壓調整、動態電源切換和待機漏電管理。此外，動態電壓調整也會用到外部的電源管理元件和軟體。舉例來說，核心供應電壓可隨著處理器負載不同而調整以便提供最大效能或降低待機耗電。

系統可視需求選擇分離式低壓降穩壓器、中等程度耗電或低耗電的直流轉換器、多通道電源管理元件或其它零件來提供電源給電路板和處理器。電源管理設計須能針對任何處理器提供必要的電源以及正確的電壓和電流。所有處理器和電源管理元件通常都會支援低負載或待機模式，只要應用被切斷電源或進入預先設定的省電模式，電源電壓就會下降，電流消耗則減至最少；在理想情形下，每顆元件的電流只有數個μA。這些做法基本上都屬於靜態電源管理，它們在電源管理設計完成後就無法繼續影響電源的電壓值。

近年來，市場上已出現內含I2C匯流排的低耗電直流降壓轉換器和高整合度多通道電源管理元件。分離式電源管理元件內建串列介面後即可提供許多新功能，例如透過標準串列I2C介面把軟體工具和處理器控制功能結合在一起後，數位和類比電源管理元件之間就能以前所未有的超高速率交換資訊，使系統能於執行中隨時調整電壓、電流和功率預算。除此之外，軟體控制的電源管理與監控也將得以實現，設計人員也能在現有的全負載操作模式與系統待機模式之外實作更多種省電模式。



圖1：SmartReflex技術為可攜式裝置提高節能效率
動態電壓調整

I2C介面共有100kbps和400kbps兩種不同的傳輸速率。隨著分離式低耗電直流轉換器和電源管理元件開始內建I2C介面，設計人員現已能準確地動態調整分離式電源管理元件的輸出電壓以及任何處理器單元的核心供應電壓。這類設計需要高速直流轉換器，例如使用開關頻率3MHz以上的轉換器以確保快速的訊號暫態響應。此外，低耗電直流轉換器或電源管理元件還應提供PFM或Forced-PFM等不同操作模式，這樣它們才能自我調整或是透過I2C控制訊號配合某些系統電源組態。

這類設計可讓系統在不影響整體表現的情形下精確滿足其效能需求。這能將每一種操作條件或處理器模式下的電力消耗減至最少，進而延長電池壽命、減少元件產生的熱量並增強整體系統效能。

此處以低耗電直流電源轉換器TPS62350說明SmartReflex技術。



圖2：TPS62350在鋰離子電池的輸入電壓範圍內供應800mA輸出電流


圖3：高整合度的TPS65020可透過I2C介面動態調整主要直流轉換器輸出電壓
這款單通道降壓轉換器採用體積精巧的12隻接腳晶片級封裝(CSP)，能以95%的轉換效率在一顆鋰離子電池所提供的輸入電壓範圍內供應800mA的輸出電流。它還可透過I2C介面以最低0.6V的步階值來調整輸出電壓，使它能支援新一代的處理器和供應電源。這款可程式直流電源轉換器能大幅延長3G智慧型手機、PDA、數位相機和其它可攜式應用的電池壽命。

利用I2C介面減少耗電的另一種做法是使用TPS65020之類更複雜的元件。TPS65020是功能整合度極高的六通道電源管理晶片，內含三組效率達97%的低耗電直流電源轉換器和三組低壓降轉換器。舉例來說，TPS65020可透過I2C介面動態調整主要直流轉換器的輸出電壓，該電壓通常做為處理器核心的電源。另外兩組直流電源轉換器則可用於I/O電源供應、記憶體或其它功能。除此之外，TPS65020還能透過I2C介面將內建的三組低壓降穩壓器或直流轉換器等不同功能模組的電源切斷，這種做法可以減少整個電源管理元件的耗電或散熱，同時大幅降低靜態電流消耗。

多數的分離式直流電源轉換器、電源管理元件和低壓降穩壓器還會提供獨立的使能/禁能接腳，這使它們能夠在現有的處理器控制介面外獨立操作以便提供最強大的彈性和最方便的使用能力，同時讓其它新型省電技術也能夠繼續使用。

本文小結

除了前面介紹的省電方法外，新製造技術也會在未來扮演重要角色。隨著半導體技術逐漸從90奈米升級到65奈米和更精密的製程，此處介紹的省電技術實作將變得更為重要。除此之外，DSP核心和分離式電源零件之間通訊量也會增加，以便支援彈性的動態電源調整和軟體控制型電源供應機制。總而言之，這些增強功能和方法必須能夠完美配合，這樣系統才能提供最強大效能和最長電池壽命，進而讓使用者獲得最大好處。

作者：Alexander Friebe

德州儀器公司

posted by C.H. Chen @ 7:45 PM