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電源管理單元
閱讀�5432�(shí)間:2011-08-30 09:48:36

  電源管理單元(power management unit�(jiǎn)稱PMU)是一種高度集成的、針�(duì)便攜式應(yīng)用的電源管理方案,即將傳�(tǒng)分立的若干類電源管理器件整合在單�(gè)的封裝之�(nèi),這樣可實(shí)�(xiàn)更高的電源轉(zhuǎn)換效率和更低功�,及更少的組件數(shù)以適�(yīng)縮小的板�(jí)空間�

概述

  每一代新的移�(dòng)便攜式設(shè)備都�(huì)比前一代的�(chǎn)品提供更多的功能。這些年來(lái),手�(jī)從單純只用于通話的設(shè)備演變成具有拍照、瀏覽視頻短片、看電視、聽MP3和調(diào)頻收音機(jī)、玩3D游戲以及與PC交換信息等功�。為�(shí)�(xiàn)這些功能,手�(jī)已不僅是連接到移�(dòng)電話�(wǎng)�(luò),而且還可能連接到無(wú)線局域網(wǎng)并與PC通信,或者使用藍(lán)牙技�(shù)連接�(wú)線耳機(jī)。所有這些附加的功能都要靠電池組提供電能�

  �(duì)早先幾代的手�(jī)�(lái)�(shuō),依靠硅芯片與電池技�(shù)的�(jìn)步就可以增加通話�(shí)間和待機(jī)�(shí)�。更高效RF放大器和新型CMOS邏輯芯片的能耗比前一代更�。射頻信�(hào)處理與數(shù)字信�(hào)處理算法的發(fā)展�(jìn)一步降低了功�。與此同�(shí),新的電池技�(shù)也能提供更高的能量,尤其是對(duì)極高存儲(chǔ)密度先�(jìn)鋰離子電池的開發(fā)和應(yīng)��

  而今,情況發(fā)生了改變。與前幾代CMOS工藝不同的是,的深亞微米(<100nm)CMOS工藝是集成更多功能的必要條件,但集成密度的提高并未相�(yīng)帶來(lái)功耗的下降。相�,更多功能造成更高的功�,而CMOS工藝技�(shù)的發(fā)展不再能夠彌�(bǔ)這一增加的功�。同�(shí)電池技�(shù)的發(fā)展也�(wú)法實(shí)�(xiàn)這種彌補(bǔ)。因�,如今的多媒體手�(jī)再次逼近�(yùn)行時(shí)間極�。系�(tǒng)�(shè)�(jì)者必須尋找新的方法以降低系統(tǒng)的總體功��

  目前系統(tǒng)中常用的兩種技�(shù)是電壓域切換和電壓調(diào)�。電壓域切換適用于在任一�(shí)刻并不要用到�(shè)備中所有功能的情況。例�,當(dāng)多媒體設(shè)備播放某種媒體時(shí),通常與處理其它類型媒體的電路沒有�(guān)系。因�,就可以�(guān)閉這部分未用電路的電源,將其功耗降為近乎零。盡管這種方法向克服深亞微米CMOS工藝漏電流問題邁出了重要步伐,但它僅能節(jié)省待�(jī)功耗。當(dāng)電路處于激活狀�(tài)�(shí),它并不能節(jié)省任何靜�(tài)或動(dòng)�(tài)功��

  �(xiàn)在對(duì)激活狀�(tài)下功耗的解決辦法是電壓調(diào)整技�(shù),它依賴于加在CMOS邏輯電路上的電壓與時(shí)鐘的速度之間相關(guān)�。較快的�(shí)鐘速度需要較高的電壓,很明顯,這些參數(shù)的提高都�(huì)增加�(dòng)�(tài)功��

  在多�(shù)VLSI�(shù)字芯片中,某些部分的�(yùn)行速度需要高于其它部�,而在傳統(tǒng)器件�,通常整�(gè)芯片都工作在�(shí)鐘頻率下,并且整體芯片都要供電以維持這�(gè)�(shí)鐘頻�。這樣就造成較高的功�,實(shí)際上芯片中的某些部分原本可以�(yùn)行在較低的速度��

  通過使用電壓�(diào)整方法時(shí),芯片采用兩種以上供電電�,較高速的邏輯被劃分在一些由較高電壓供電的島�(nèi),而較低速邏輯則位于低供電電壓的島內(nèi)。因而這些島中的時(shí)鐘速度就可以作相應(yīng)的調(diào)��

  因此,許多SoC解決方案需要能提供多種電壓的電�,這些電壓是電壓調(diào)整所需的,另外這些電源還可以與功能同步�、關(guān)這些供電電壓,以支持電壓域切換。對(duì)于電池供電的�(shè)�,它們還必須能夠高效地將電池輸出電壓�(zhuǎn)換為芯片所需電壓(DC/DC�(zhuǎn)�),以盡量減少�(zhuǎn)換期間的功率損失。在很多情況�,它們還要控制電池的充電過程�

  這些新型電源電路通常叫做電源管理單元(PMU),因?yàn)榕c前代方案相比,它�?cè)陔娫纯刂品矫姘l(fā)揮了更活躍得多的作用�

架構(gòu)

  �(dāng)�(shè)�(jì)者要決定系統(tǒng)如何劃分�(shí),必須在集中式與分布式電源分配方案中作出選擇:前者是將單只PMU緊靠系統(tǒng)的主處理器用于實(shí)�(xiàn)所有的電源切換與電壓調(diào)整功�;后者則是每�(gè)子系�(tǒng)都擁有自己的PMU。決策過程取決于兩�(gè)主要因素:應(yīng)用及響應(yīng)速度,以及所需電源管理的間隔尺�(granularity)�

  在很多應(yīng)用中例如高端多媒體手�(jī),制造商用一種模塊化方案�(lái)增加功能,即在一�(gè)基礎(chǔ)�(shè)�(jì)上增加模塊來(lái)�(shí)�(xiàn)某�(gè)特定功能,如�(lán)�、Wi-Fi或手�(jī)電視模塊。這種情況�,如果采用集中式PMU架構(gòu),則各種變種手機(jī)型號(hào)中未使用的PMU功能仍會(huì)繼續(xù)保留,造成浪費(fèi)。但�(duì)于固定架�(gòu)的裝置如MP3播放�(jī)或音樂播放盒,集中式PMU仍是成本效益的選擇之一�

  然而,融合的趨�(shì)促使更多功能被采用到移動(dòng)便攜�(shè)備中,其它技�(shù)因素也有力地推動(dòng)分布式PMU�(jié)�(gòu)占據(jù)主導(dǎo)地位。為節(jié)省更多功�,PMU要緊密耦合到其控制的子系統(tǒng)�,而不是主系統(tǒng)的處理器。例�,對(duì)一�(gè)手機(jī)的電視子系統(tǒng),在相關(guān)廣播幀之間的間隔內(nèi)�(guān)閉大部分前端接收�(jī)電路可以節(jié)省相�(dāng)多的功�。這種�(zhuǎn)換的�(shí)序需要微秒級(jí)的精度,只能在電視手�(jī)基帶處理器與其PMU之間建立直接控制電路�(lái)�(shí)�(xiàn)。因�,PMU及耦合到子系統(tǒng)的方式可以是非常特定��

  分布式PMU方案還非常靈�。你只需圍繞系統(tǒng)布放一根電源軌(通常是電池的連接�),所有外圍都把它�(dāng)作自己的電源連接�,而不需要考慮其它的電源連接。每�(gè)外圍電路中嵌入的PMU�(fù)�(zé)本地的全部電源管�。而在集中式PMU�(jié)�(gòu)中,你必須預(yù)先知道哪�(gè)外圍可能�(huì)連接到PMU,還要保證在各種可能的組合情況下,所有電源電壓和�(shí)序都能正確無(wú)��

廠商

  由于�(duì)行業(yè)與消�(fèi)者的意義日益重要,PMU智能電源管理已經(jīng)是大�(shì)所�,“主�+PMU”的模式越來(lái)越受到產(chǎn)�(yè)上下游的青睞,包括TI、Philips Semiconductor、National Semiconductor�(guó)際巨頭都推出了相�(yīng)的產(chǎn)��

�(fā)展趨�(shì)

  除了DVFS所需的片上性能�(jiān)控器以外,未�(lái)還將有越�(lái)越多的電源管理功能移至芯片上。例如在手機(jī)市場(chǎng)�,越�(lái)越多的附加功能采用SoC�(lái)�(shí)�(xiàn),現(xiàn)在已�(jīng)有種需求是將每片SoC直接連接在公共的�(zhǔn)�(wěn)壓電壓軌�,一般在1.8V左右。這樣就要求DVFS所需的可編程�(wěn)壓器移至芯片上,而不是集成到一�(gè)�(dú)立的PMU�。鑒于這一因素,飛利浦公司已經(jīng)開始遷移很多與PMU相關(guān)的IP,即從當(dāng)前的0.25um C050PMU工藝直接�(zhuǎn)到深亞微米CMOS工藝技�(shù)�

  在電池與這些SoC之間,只需要用一�(gè)高效率的DC/DC�(zhuǎn)換器生成公共電源?,F(xiàn)有的DC/DC�(zhuǎn)換器已經(jīng)能夠在所有負(fù)載條件下提供高于90%的效�。但�,要將它們做到小型化還有相當(dāng)多的工作要做。對(duì)于一�鋰電池生�(chǎn)商來(lái)�(shuō),這是需要解決的問題之一�

  �(xiàn)有的開關(guān)模式�(zhuǎn)換器工作頻率大約�2MHz,因此仍然要使用體積相對(duì)較大的電感器。正在開�(fā)中的新型�(zhuǎn)換器工作頻率�10MHz以上,它可以使電感器體積減小到可以集成的程度,即使不是放在片上,也可以作為系�(tǒng)�(jí)封裝(SiP)PMU方案的一部分。還有一種很快就可能集成到PMU中的元件,即基準(zhǔn)電壓和LDO的輸出去耦電�。作為無(wú)源集成工具箱中的一部分,飛利浦已經(jīng)擁有一種工藝技�(shù),能在硅片上�(shí)�(xiàn)高達(dá)230nF/mm2的電容密度,可以用于SiP方案的集��

  另外不要忘記,移�(dòng)�(shè)備的液晶屏和背光照明功耗通常要占到總體的一�。新型顯示技�(shù)與相�(yīng)的PMU�(jié)�,也能在降低總體功耗方面扮演相�(dāng)重要的角色�

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