需求以及應(yīng)用背景
目前的移動終端設(shè)備如手機(jī)、PDA、掌上電腦已廣泛應(yīng)用于消費(fèi)、通信、工控、視頻監(jiān)控等多個領(lǐng)域，它們的電源管理設(shè)計(jì)是很大的挑戰(zhàn)，因?yàn)樵谀壳暗囊苿咏K端上，它不僅要支持各種語音采集功能，還有長時間進(jìn)行Web/WAP接入的需要，以及如視頻監(jiān)控的功能，這些功能會消耗大量的電能。因此，必須在電源管理上采用合適的方法，否則這種功能密集的設(shè)備在電池壽命上可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到用戶的期望值。
由于便攜式電池技術(shù)在近期較難出現(xiàn)較大的突破，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中可以采用一些設(shè)計(jì)技巧來降低系統(tǒng)功耗，如優(yōu)化系統(tǒng)和CPU時鐘頻率，避免上電過程中的大電流脈沖;有效地管理系統(tǒng)電池運(yùn)轉(zhuǎn)，有效地管理系統(tǒng)設(shè)備的工作模式，盡可能降低總線活動，降低總線電容，降低轉(zhuǎn)換噪聲等。
系統(tǒng)解決方案
系統(tǒng)架構(gòu)與集成
電源管理是整個移動終端系統(tǒng)的基礎(chǔ)，這部分的穩(wěn)定工作對整個系統(tǒng)的穩(wěn)定工作起著至關(guān)重要的作用。解決高性能與低功耗對立矛盾的方法之一是讓處理器根據(jù)當(dāng)前的工作負(fù)荷運(yùn)行在不同的性能水平上。例如，播放MPEG視頻比播放MP3音頻需要更高的性能。因此，處理器播放MP3時可以運(yùn)行在更低的頻率下，但仍能獲得高質(zhì)量的精確回放效果。降低功耗是每個便攜式產(chǎn)品開發(fā)人員的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一，但功耗不僅僅與硬件設(shè)計(jì)有關(guān)，控制軟件也會對產(chǎn)品的功耗產(chǎn)生很大影響。不管是操作系統(tǒng)、BIOS控制程序還是外設(shè)驅(qū)動程序，這些軟件編寫的方式?jīng)Q定了最終產(chǎn)品的功耗水平，因此在開發(fā)時必須加以考慮。
目前的高速移動終端大都增加了視頻監(jiān)控及顯示模塊，其輸入/輸出裝置都采用粗大的高速并行接口作為互連線路，連接基帶處理器、應(yīng)用程序處理器及影像處理器。因此，可以采用串行接口縮小產(chǎn)品體積，精簡機(jī)械設(shè)計(jì)，降低系統(tǒng)功率，減少電磁干擾，并削減系統(tǒng)成本。本移動終端系統(tǒng)及其電源管理模式如圖1所示，它整合了模擬基帶處理和電源管理芯片，將完整芯片組與應(yīng)用處理器的模擬與電源管理功能集成到一個器件中，從而降低了板級要求、減少了芯片數(shù)目及開發(fā)成本。系統(tǒng)中的射頻無線部分，在需要重要低噪聲效能時采用低壓降穩(wěn)壓器(LDO)，而降壓式直流-直流轉(zhuǎn)換器(DC-DC)則應(yīng)用在新一代發(fā)送功率放大器的電源上以取得更長的電池使用時間。
圖1 移動終端系統(tǒng)及其電源管理模式
供電部分是整個系統(tǒng)的基礎(chǔ)，這一部分作用非常重要，供電系統(tǒng)與耗電系統(tǒng)必須有緊密的聯(lián)系，可以互相通信，這樣才可大幅節(jié)省電能。如果系統(tǒng)各個元器件沒有質(zhì)量問題，在焊接完成后就可以加電進(jìn)行測試，所需要的工具和儀器儀表只要烙鐵、焊錫絲、數(shù)字萬用表就可以了。在焊接前，首先用萬用表測量最終的電壓輸出端和地有無短路現(xiàn)象，沒有才能進(jìn)行焊接，目前許多制造PCB的廠家其做工和質(zhì)量并不是很高，時常出現(xiàn)短路的現(xiàn)象。
動態(tài)電源管理
動態(tài)電源管理是調(diào)節(jié)移動終端中存在的一個或多個處理器內(nèi)核的工作電壓和頻率，因?yàn)橄到y(tǒng)通常配備一塊高度集成的、基于 PowerPC、ARM 和 x86DSP 或智能基帶處理器。 系統(tǒng)功耗產(chǎn)生的原因與電阻上消耗的功率、有源器件的開關(guān)轉(zhuǎn)換階段以及集成電路內(nèi)部和外部電容的充放電有關(guān)。另外，系統(tǒng)的性能指標(biāo)、負(fù)載能力、被處理信號的工作頻率、電路的工作頻率、電源的管理水平、零部件的性能、散熱條件、接口的物理性能等都對系統(tǒng)功耗起著重要的作用。
目前絕大多數(shù)的處理器是用CMOS 工藝制造的。而CMOS電路的總功耗是動態(tài)功耗與靜態(tài)功耗之和，當(dāng)電路工作或邏輯狀態(tài)轉(zhuǎn)換時會產(chǎn)生動態(tài)功耗，未發(fā)生轉(zhuǎn)換時晶體管漏電流會造成靜態(tài)功耗：
式中C為電容，為開關(guān)頻率，為電源電壓，為漏電流。為動態(tài)功耗，為靜態(tài)功耗。在電源管理設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)中，重點(diǎn)是動態(tài)功耗。從式中可以看出：降低電壓對功耗的貢獻(xiàn)是2次方的;降低時鐘也可降低功耗，但它同時也降低性能，延長同一任務(wù)的執(zhí)行時間。所以，選擇滿足性能所需的最低時鐘頻率，在時鐘頻率和各種系統(tǒng)部件運(yùn)行電壓要求范圍內(nèi)，設(shè)定最低的電源電壓，將會大量減少系統(tǒng)功耗?；谶@種思想的電源管理方法如圖2所示，它能動態(tài)的改變CPU時鐘，降低處理器的時鐘頻率。
圖2 動態(tài)電源管理方法
LP3970的電源管理特性
本系統(tǒng)中使用了美國國家半導(dǎo)體(NS)產(chǎn)品系列中的LP3970，它可作為單獨(dú)的IC使用或用作整個平臺解決方案的一個組成部分，它具有的超低電流模式技術(shù)和超低的電流干擾(見圖3 )。LP3970將多個系統(tǒng)整合到一個設(shè)備中，大量系統(tǒng)級模塊的整合協(xié)作簡化了設(shè)計(jì)流程，同時能在極具競爭力的價位上提供高精密度的產(chǎn)品。
圖3 超低電流特性
NS的多功能電源管理單元LP3970 內(nèi)置了11個低壓降低噪音的線性穩(wěn)壓器，其中8顆負(fù)責(zé)驅(qū)動數(shù)字負(fù)載，而另外3顆負(fù)責(zé)驅(qū)動模擬負(fù)載，LP3970還有2個電感式DC/DC降壓穩(wěn)壓器、1個后備電池充電器及4個通用輸出，可為應(yīng)用處理器提供穩(wěn)壓供電。通過I2C 接口，嵌入式處理器可以對LP3970進(jìn)行數(shù)字控制，根據(jù)負(fù)載情況動態(tài)調(diào)節(jié)電源電壓來節(jié)省功耗。
結(jié)語
本文討論了采用新型的電源管理系統(tǒng)，通過使用動態(tài)電源管理和使用具有超低電流特性器件，并在必要時將部分移動終端置于低功耗待機(jī)模式，可極大地降低功耗。同時采用兼顧系統(tǒng)整體需要的設(shè)計(jì)，電源不再像以往一樣只是電子產(chǎn)品內(nèi)的一個獨(dú)立運(yùn)作的子系統(tǒng)。利用該電源管理系統(tǒng)，可顯著延長采用移動終端的電池使用時間，從而在不影響高性能應(yīng)用的情況下，大大延長其待機(jī)時間。