作者：Ramprasad Anantbaswamy

螺旋能源成本以及全球變暖等環(huán)境問題意識的提高，為半導體行業(yè)的能效發(fā)展帶來全新的機遇。當今市場上大多數(shù)電子設備的電池使用時間基本都無法滿足性能需求。由于廣大消費者喜歡更具移動性的生活方式，因此對于電源管理 IC 的需求便隨之增長。我們非常需要一些能夠有效控制汽車系統(tǒng)從而降低電子輻射并且讓其他有助于我們降低日常功耗的消費類產(chǎn)品獲得更長使用時間的芯片。

便攜消費類電子設備制造廠商們一直以來都面臨的挑戰(zhàn)是研制高成本效益、高性能、多功能且具有更長電池使用時間的解決方案。廠商還不得不縮短開發(fā)時間，以在市場上率先推出新的產(chǎn)品。開發(fā)出具有嵌入式迷你 DSP 的超低功耗編解碼器和強大的圖形編程工具以后，廠商們便可以滿足各種復雜的要求。許多新一代超低功耗編解碼器在低功耗運行模式下可以通過一個單 1.5V 到 1.8V 電源運行模擬和數(shù)字內(nèi)核。例如，一些音頻應用中，通過在 1.26V 低壓（上網(wǎng)本可低至 0.6V 到 0.7V）下運行數(shù)字內(nèi)核，降低功耗是有可能的。

盡管許多設備都有低功耗運行模式，但是附加功耗調(diào)節(jié)選項讓設計人員可以根據(jù)單個配置和處理選項來自定義其功耗。這樣便允許設計人員根據(jù)輸入及輸出通道、輸出驅動要求、采樣率、輸入和輸出的理想SNR性能以及所使用的處理特性來動態(tài)優(yōu)化功耗調(diào)節(jié)，以達到最小化功耗的目的。功耗調(diào)節(jié)可帶來便攜音視頻設備電池使用時間的巨大差異。將超低功耗數(shù)據(jù)轉換和低功耗信號處理集成到一塊芯片中，可在那些包括應用處理器和編解碼器的傳統(tǒng)系統(tǒng)構架中帶來意義重大的低功耗實現(xiàn)可能性。這些構架中，超低功耗編解碼器可以實現(xiàn)應用處理器的某些或者所有音頻處理功能。實現(xiàn)更長電池使用時間的許多強大工具之一便是具有嵌入式迷你DSP的超低功耗編解碼器。這些器件及其強大的圖形編程工具為許多便攜式音頻處理和通信系統(tǒng)構架提供低功耗音頻解決方案。

在不久的將來，我們將會擁有許多可以工作一整天而無需充電的上網(wǎng)本和筆記本電腦。在便攜產(chǎn)品功能設計方面大概存在三種挑戰(zhàn)：理解全部系統(tǒng)功耗預算；設計高效的功耗轉換器和控制器以便最小化損耗；以及交互式地管理系統(tǒng)的功耗要求。

便攜消費類電子市場競爭激烈，并且發(fā)展迅速。快速市場投放和超低功耗讓廠商們可以在開發(fā)出差異化產(chǎn)品的同時縮短其設計周期。新一代便攜式消費類設備（例如：無線耳機、智能電話、PDA 和媒體播放器等）以擁有更多功能、更高性能級別和更小的解決方案尺寸為傲。由于其最新的一些特性，這些設備無一例外地都需要極大的功耗。例子包括：3 百萬或者更高像素分辨率的相機、高功耗閃光燈 LED 或者氙氣燈、高級音頻和揚聲器功能、具有高分辨率 LCD-TV 顯示器的 GPS 和電話等。廣大設計人員均面臨靜態(tài)和動態(tài)功耗要求的挑戰(zhàn)。隨著便攜式設備變得越來越多功能，功耗要求也快速增加。結果，電池使用時間變得越來越短。

隨著 IC 的集成度變得越來越高以及功能的增加，需要更多的電源軌，或者相同電源軌要求更高的電源電流。大多數(shù)便攜式消費類應用都使用標準高性能鋰離子電池（一般為單節(jié)電池配置）。這種限定電量的情況下，廠商們必須要知道消費者是否喜歡更短電池使用時間的多功能應用，或者對功能數(shù)量及其應用的功能要求進行控制。今天的消費者想要長電池使用時間的高端設備。為了打破便攜設備功耗的困局，我們使用了許多技術方法。要滿足處理器的功能需求，IC 廠商們帶頭降低特定性能級別的功耗。滿足功耗要求和應對低功耗挑戰(zhàn)，需要開發(fā)新的處理技術。例如，一種被稱為 SmartReflex 的方法，用于 DSP 和 TI 的 OMAP 處理器。它可以降低總功耗，優(yōu)化系統(tǒng)性能，并增加電池使用時間。利用許多智能和自適應軟硬件方法，它可以根據(jù)設備活動、運行模式和溫度動態(tài)地控制電壓、頻率和功耗。電源管理設計提供必要的電壓軌，并根據(jù)處理器需求調(diào)節(jié)電壓和電流。如果應用關閉或者處于預定義功耗"省電"模式，則所有處理器和電源管理器件一般使用輕負載或者待機模式。這樣，電流電壓水平降低，同時電流消耗降至最低。不同運行狀態(tài)下，IC 本身將消耗盡可能少的電流，低至幾微安。一旦完成便攜式設備設計，便幾乎沒有什么可以影響電壓軌層了。

集成電源管理器件的一些串行接口帶來一些新的影響層。另外，可以實現(xiàn)軟件控制電源管理和監(jiān)控，并且可在現(xiàn)有全負載和系統(tǒng)待機模式之間使用多種省電模式。使用I2C接口的動態(tài)電壓調(diào)節(jié) (DVS) 具有兩種不同的速度選項：標準100kbps和快速400kbps。在離散式低功耗DC/DC轉換器或電源管理單元中使用這種方法以后，設計人員可以動態(tài)、精確地影響電源管理器件的輸出電壓，并調(diào)節(jié)所有處理器單元的內(nèi)核電源電壓。這種設計讓系統(tǒng)可以滿足精確的性能要求，無需犧牲整體性能。因此，最低功耗用于處理器模式的每種運行狀態(tài)，從而延長電池、降低每器件散熱，并提高總系統(tǒng)性能。可編程DC/DC轉換器幫助延長3G智能電話、PDA、數(shù)碼照相機和其他便攜式應用的電池使用時間。使用I2C接口降低功耗的另一種方法是使用一些更復雜的器件，例如：TPS65020等。它是一種高集成PMU，具有六條輸出通道、三個低功能DC/DC轉換器（擁有高達97%的效率）以及三個LDO。不同的構件（例如這種IC的所有三個LDO或DC/DC轉換器），可以通過I2C來關閉/開啟，以降低全部PMU的功耗和散熱量。

關閉不同構件，還可降低靜態(tài)電流消耗。除已經(jīng)討論過的一些功耗節(jié)省方案以外，新的制造技術將在未來起關鍵作用。DSP內(nèi)核及其離散模擬功耗元件之間的通信量將增加，以允許靈活的導通時間功耗調(diào)節(jié)和軟件控制功耗方案。所有這些改進和方法必須一起協(xié)調(diào)工作，來優(yōu)化性能和最大化電池使用時間，以讓消費者獲益。

未來，廣大消費者將需要通過更小、更輕的便攜式設備獲得高質(zhì)量的移動視頻/音頻娛樂，而這些設備要求更多的功能和更高密度的存儲，從而推動半導體廠商們考慮使用新的設計和制造解決方案。我們不僅僅必須要改變我們所做的，而且要改變我們做事情的方式。只需清楚地了解我們的處境以及我們怎會處在這樣的處境中，我們才能找到一條通過未來的正確道路。認識到?jīng)]有解決高功耗需求問題的良方這一點很重要。反之，應將努力方向集中于那些能夠幫助系統(tǒng)設計人員理解性能和功耗含義的工具上面來。現(xiàn)在該提供一種系統(tǒng)級解決方案，而非一種元件級解決方案，而 TI 獨有能夠滿足這種市場需求的優(yōu)勢。

作者簡介

Ramprasad Ananthaswamy 現(xiàn)任 TI 電源管理產(chǎn)品總監(jiān)。