集成知識(shí)是電源技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

作者：Leon Adams、Kevin Belnap 與 Jeff Falin

低功耗技術(shù)隨著向新一代演進(jìn)的步伐而變得更為復(fù)雜，也日益依賴(lài)于IC 之間的交互性。下一代低功耗技術(shù)需要大量學(xué)院知識(shí)的整合 (institutional knowledge integration)。

對(duì)電源管理與不斷發(fā)展的芯片技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)的全面審視顯得越發(fā)重要，而這也凸顯了在DSP、SoC、MCU 與模擬電源管理設(shè)計(jì)人員之間進(jìn)行開(kāi)放式對(duì)話(huà)與協(xié)作的需求。

此外，半導(dǎo)體公司必須想方設(shè)法使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠充分發(fā)揮內(nèi)置于芯片的尖端技術(shù)優(yōu)勢(shì)。否則，系統(tǒng)的節(jié)能潛力將得不到充分的發(fā)揮。

從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度來(lái)看，組件需以極高的復(fù)雜性協(xié)同運(yùn)行，而且這種配合應(yīng)當(dāng)早在SoC 或DSP的設(shè)計(jì)階段就開(kāi)始。模擬、MCU 和電源設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)镾oC或DSP設(shè)計(jì)小組提供極為寶貴的資料。

盡管產(chǎn)品特性日益豐富，消費(fèi)者的預(yù)期也越來(lái)越高，但用更少功耗實(shí)現(xiàn)更高性能的需求卻始終未變。通過(guò)將高效與智能相結(jié)合，半導(dǎo)體技術(shù)在節(jié)能領(lǐng)域中正扮演著極為關(guān)鍵的角色。在芯片和將用于日常用品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入節(jié)能特性，將使這些產(chǎn)品更加高效，也將幫助消費(fèi)者更好地承擔(dān)節(jié)能環(huán)保義務(wù)。

工藝節(jié)點(diǎn)從90納米向65納米、乃至45納米的發(fā)展使芯片功耗不斷降低，這主要是由于高密度芯片的工作電壓較低，而功率與電壓的平方成正比。然而，這也會(huì)帶來(lái)權(quán)衡折衷，因?yàn)楦呒?jí)工藝的隔離層越薄，某個(gè)靜態(tài)電路的漏電流就越大。

為了在 DSP、應(yīng)用處理器或片上系統(tǒng) (SoC) 不增加功能值的情況下控制有功電流的功率損失，IC 設(shè)計(jì)人員發(fā)明了門(mén)控時(shí)鐘等技術(shù)，可在芯片某些部分沒(méi)有被使用的情況下將其關(guān)閉。

在系統(tǒng)不使用芯片時(shí)還可將其全部關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)更為顯著的節(jié)電效果。這種方法盡管效率很高，但有時(shí)需要采用極低功耗的 MCU 進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外，全部關(guān)閉芯片的做法還要求在MCU與SoC間有極為緊密的聯(lián)接 (linkage)，確保在系統(tǒng)需要開(kāi)啟較大芯片時(shí)這種聯(lián)接能即時(shí)發(fā)揮作用，使SoC被迅速喚醒。

盡管這些技術(shù)仍在發(fā)揮重要作用，但若在此基礎(chǔ)上做更多細(xì)微的變化，則還能進(jìn)一步提高節(jié)能性。例如，TI的Smart Reflex技術(shù)充分利用了工藝范圍 (process corner) 各種變化優(yōu)勢(shì)，可監(jiān)控器件在硅芯片接點(diǎn) (silicon junction) 處的工作情況、操作模式以及溫度。有關(guān)數(shù)據(jù)使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓與頻率，較大限度地降低功耗。此外，Smart Reflex 技術(shù)還可調(diào)整多核芯片的用電，以降低芯片級(jí)功耗。

芯片間協(xié)作

盡管DSP與SoC在節(jié)電方面取得了長(zhǎng)足發(fā)展，但從定義上說(shuō)，它們本身仍是門(mén)數(shù)較高的器件。根據(jù)占空比的不同，有時(shí)如果將某些功能轉(zhuǎn)移至片外，比如用低功耗MCU作為系統(tǒng)監(jiān)控器的做法可能更省電。不過(guò)，這樣做必須滿(mǎn)足兩個(gè)條件：一是芯片間的通信必須快速、可靠與高效；二是MCU必須以極低的功耗運(yùn)行，且支持快速喚醒與關(guān)斷。

有的系統(tǒng)需要一些必須始終工作的簡(jiǎn)單功能，如果這些功能不是由門(mén)數(shù)較多的SoC或DSP，而是由配合DSP工作的MCU完成，則通常可實(shí)現(xiàn)更低的功耗。其它這樣的系統(tǒng)或監(jiān)控功能還包括：

• 電源監(jiān)控與復(fù)位
• 電源排序
• 實(shí)時(shí)時(shí)鐘保持
• 人機(jī)接口管理
• 電池管理
• 顯示器管理

DSP 通常采用多個(gè)電源軌，必須上電排序才能正常工作。從系統(tǒng)級(jí)講，電源監(jiān)控、復(fù)位監(jiān)控以及電源排序等都是非�；�本的監(jiān)控功能，這些功能往往通過(guò)固定功能器件執(zhí)行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在低功耗設(shè)計(jì)中選用DSP時(shí)應(yīng)考慮四大特性：

• 尋求大容量片上存儲(chǔ)器。
• 選擇可更好控制外設(shè)的DSP，因?yàn)檫@樣可直接進(jìn)一步降低功耗。
• 選擇可提供多種待機(jī)狀態(tài)的 DSP。
• 選擇可提供專(zhuān)門(mén)開(kāi)發(fā)軟件，尤其是為優(yōu)化電源利用并較大限度降低功耗而設(shè)計(jì)的 DSP。

除了用于管理處理器電源，這些固定功能器件對(duì)系統(tǒng)的用途有限，特別是在無(wú)需主處理器工作時(shí)卻不能將其關(guān)閉。利用小型低功耗 MCU 替代此類(lèi)器件，在實(shí)現(xiàn)對(duì)主處理器電源管理的同時(shí)，還可執(zhí)行排序、監(jiān)控以及系統(tǒng)級(jí)管理等功能。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在選擇用作處理器監(jiān)控的MCU時(shí)，必須考慮工藝技術(shù)與工作電壓，但MCU架構(gòu)的重要性也不容忽視。在許多方面，MCU 的電源優(yōu)化原則與SoC或DSP都是通用的。

例如，MCU 應(yīng)提供以下功能：

• 容量足夠大的片上存儲(chǔ)器，以顯著降低或徹底消除片外數(shù)據(jù)存取。
• 集成模擬塊，避免模擬性能受影響。
• 可打開(kāi)與關(guān)閉其自身外設(shè)。
• 在只是來(lái)回移動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)支持 DMA 功能。

DMA功能尤為重要，因?yàn)楫?dāng)MCU只采集ADC樣片或傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的功耗相當(dāng)大。DMA使ADC能將數(shù)據(jù)樣片直接保存至存儲(chǔ)器，從而使 MCU 進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，直至采集到所需樣片的數(shù)量為止。隨后MCU會(huì)被喚醒以處理樣片，然后再盡快恢復(fù)待機(jī)狀態(tài)。

TI較新一代的MSP430F5xx MCU系列等低功耗MCU具備一種全新的創(chuàng)新技術(shù)，可根據(jù)處理負(fù)載實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)內(nèi)核電壓與時(shí)鐘速度。如前所述，MCU 功率與電壓平方成正比，MCU時(shí)鐘速度的較大值也與內(nèi)核電壓成正比。當(dāng)處理負(fù)載高低不同時(shí)，用戶(hù)可在運(yùn)行中調(diào)節(jié)時(shí)鐘速度與內(nèi)核電壓，從而優(yōu)化MCU電源。

對(duì)功耗與系統(tǒng)性能而言，SoC、DSP及其電源之間的互動(dòng)是至關(guān)重要的系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題。供電量太大會(huì)浪費(fèi)能源；若供電不足，性能則會(huì)降低。

要想確定可滿(mǎn)足較大IC需求的電源大小，就要對(duì)DSP在較高電壓時(shí)的較大負(fù)載有深入了解。不過(guò)，在DSP設(shè)計(jì)前期往往無(wú)法獲得這方面的信息。

此外，上電與斷電排序還需要精確的協(xié)作。由于SoC與DSP一般采用多個(gè)電源軌，必須根據(jù)特定排序供電，因此電源必須在較大芯片所要求的時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)狀態(tài)變化作出響應(yīng)。多次嘗試將會(huì)浪費(fèi)電源，并降低性能。

功耗更低的工作模式可降低電源管理IC本身的損耗，而借助這種工作模式和改進(jìn)后的工藝技術(shù)，電源管理IC及相關(guān)組件的效率可獲得進(jìn)一步提升。例如，工藝技術(shù)的改進(jìn)可實(shí)現(xiàn)更低功耗的開(kāi)關(guān)電阻、更少的門(mén)電容和更低的泄漏電流，從而可分別降低I2R 損耗、開(kāi)關(guān)損耗以及偏壓／靜態(tài)電流。上述各種技術(shù)發(fā)展已經(jīng)用于TI較新低功耗DSP與應(yīng)用處理器，可將功耗降至前代器件的三分之一。

關(guān)于作者
Leon Adams，德州儀器DSP戰(zhàn)略市場(chǎng)營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理，負(fù)責(zé)管理TI的DSP產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃。
Kevin Belnap，TI MSP430超低功率微控制器產(chǎn)品部產(chǎn)品營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理。
Jeff Falin，TI便攜式電源應(yīng)用產(chǎn)品部的高性能模擬工廠應(yīng)用工程師。

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