如何為新一代移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)理想的供電系統(tǒng)

2019-11-03 09:57:46

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供稿：網(wǎng)友

　　未來一代的移動(dòng)電話快將登場(chǎng)。這些新一代的智能電話將會(huì)具備很多舊式移動(dòng)電話所沒有的功能特色，其功能已大大超越只能傳送話音的舊式移動(dòng)電話。如何為這些智能電話設(shè)計(jì)一個(gè)理想的供電系統(tǒng)確是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。而能源效益近年已有大幅的提升，理論上已到了極限。因此業(yè)界應(yīng)朝著哪一方向?qū)で筮M(jìn)一步的發(fā)展？

　　目前業(yè)界的處境非常矛盾，一方面需要以全新的角度重新思考電源管理的問題，而另一方面開發(fā)新系統(tǒng)時(shí)所面對(duì)的問題又不能頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳，而是需要尋找一個(gè)全面性的解決方案。有個(gè)別的供應(yīng)商曾提出一些目光短淺的解決方案，但大都只能頭痛醫(yī)頭、腳痛醫(yī)腳，對(duì)問題的解決沒有多大的幫助。整個(gè)業(yè)界需要衷誠(chéng)合作，攜手構(gòu)思眼光較為遠(yuǎn)大的全新方案，以提高功率輸送及消耗的效率。

System-on-Chip

　　如何為移動(dòng)設(shè)備提供所需的供電：面對(duì)的矛盾

　　由于以傳送話音為主的移動(dòng)電話大受市場(chǎng)歡迎，因此無線通信市場(chǎng)在過去六年出現(xiàn)飛躍的發(fā)展。但目前這個(gè)市場(chǎng)的增長(zhǎng)已停滯不前。消費(fèi)者都滿意他們所用的移動(dòng)電話，并不感到有必要換購(gòu)新機(jī)。為了說服用戶，令他們相信現(xiàn)在是換購(gòu)新機(jī)的良機(jī)，新一代的手機(jī)不能再停留在只可傳送話音的階段。換言之，新一代手機(jī)必須屬于智能型的移動(dòng)電話，可以提供更多嶄新的功能，例如可以傳送信息及執(zhí)行多媒體功能。寬帶碼分多址 (WCDMA)、通用移動(dòng)電信系統(tǒng) (UMTS)、通用分組無線通信服務(wù) (GPRS) 及速度高達(dá) 384 Kbps 的 EDGE (可支持 GSM 進(jìn)一步發(fā)展的更高數(shù)據(jù)速度技術(shù)) 等嶄新數(shù)據(jù)傳送服務(wù)已為這個(gè)發(fā)展奠定穩(wěn)固的基礎(chǔ)。智能型移動(dòng)電話只要采用這些無線技術(shù)，便能夠提供性能卓越的功能特色如網(wǎng)頁(yè)瀏覽、音像碟片播放及數(shù)據(jù)串流傳輸、收發(fā)電子郵件以及多采多姿的電子游戲。只要一機(jī)在手，便可隨時(shí)進(jìn)入通信、學(xué)習(xí)、工作及娛樂的世界。

但問題并非這么簡(jiǎn)單。

　　這些過癮的嶄新功能特色會(huì)令電路的設(shè)計(jì)變得更為復(fù)雜，其復(fù)雜性甚至可能比舊電路高十倍。這些新的功能特色也需要高性能的彩色顯示器、更高速的處理器、更快的無線調(diào)制解調(diào)器及數(shù)目更多的應(yīng)用處理器為其提供支持，才可發(fā)揮其功能。由于新一代移動(dòng)電話裝設(shè)了應(yīng)用處理器、基帶元件、攝影鏡頭、存儲(chǔ)器及顯示塊，而這些附件耗用最多電力，因此這類移動(dòng)電話的功耗將會(huì)大幅增加。電源管理系統(tǒng)若不采用全新的設(shè)計(jì)，電池壽命可能只有消費(fèi)者所預(yù)期的三分之一或更少。因此目前的最大問題是如何為這些新的應(yīng)用方案設(shè)計(jì)一個(gè)理想的供電系統(tǒng)，而新的設(shè)計(jì)必須在外形大小、成本及能源效益方面都能符合消費(fèi)者的期望。

新一代移動(dòng)電話所需的供電

如何提高效率：傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的缺點(diǎn)

　　一向以來，電源管理芯片開發(fā)商設(shè)計(jì)這類集成電路時(shí)，往往依據(jù)設(shè)備生產(chǎn)商所提供的功率數(shù)字作為參考。有關(guān)芯片的輸出功率便根據(jù)最高的負(fù)載要求預(yù)先確定，因此電源供應(yīng)器往往會(huì)為某一功能提供比其實(shí)際需要還大的供電，為電池添加不必要的壓力。

　　一直以來，設(shè)計(jì)電源管理系統(tǒng)的工程師只著重改善電源輸出的效率，希望借此可以提高系統(tǒng)的能源效益。過去幾年來，移動(dòng)電話的機(jī)身越趨纖薄，所采用的電池也越趨輕巧，以致很多廠商都寧愿改用開關(guān)穩(wěn)壓器驅(qū)動(dòng)負(fù)載，取代低壓降 (LDO) 的線性穩(wěn)壓器。由于開關(guān)穩(wěn)壓器將電池功率轉(zhuǎn)化為負(fù)載所需的功率時(shí)只耗費(fèi)極少能源，因此專為這種應(yīng)用方案而設(shè)的開關(guān)穩(wěn)壓器便一直大受歡迎。

　　但新一代的電話都具備傳送大量數(shù)據(jù)的功能，而傳送數(shù)據(jù)需要耗用大量電力，因此新一代的電話令電池更不勝負(fù)荷。此外，由于工藝技術(shù)越趨精密，芯片的體積不斷縮小，電壓不斷下降，以致電源管理系統(tǒng)的功能變得更為復(fù)雜。雖然預(yù)期開關(guān)穩(wěn)壓器的效率仍可進(jìn)一步提高，甚至可由 95% 提高至 97%，但以這樣的功率驅(qū)動(dòng)未來一代的應(yīng)用方案便不大足夠。

　　于是廠商各出其謀，紛紛構(gòu)思嶄新的設(shè)計(jì)技術(shù)，并且選用特別的結(jié)構(gòu)，但成效并不顯著。以數(shù)字技術(shù)的應(yīng)用來說，ARM 曾經(jīng)采用多種低功率的設(shè)計(jì)技術(shù)，其中包括廣泛的時(shí)鐘選通，以降低 ARM 處理器核心需耗用的功率。雖然該公司成功將微處理器的核心功率大幅降低，但由于傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)受制于固定的電壓及頻率，因此 ARM 這種技術(shù)的成效極為有限。若要進(jìn)一步提高中央處理器的能源效益，我們必須突破上述的限制，以自適應(yīng)的智能方式調(diào)控功率及性能。

　　電池技術(shù)的改善對(duì)提高系統(tǒng)的能源效益也幫助不大，因?yàn)殡姵丶夹g(shù)的發(fā)展已到了相當(dāng)成熟的階段，短期內(nèi)再難有新的突破。照目前估計(jì)，鎳氫 (NiMH)、鋰離子及鎳鎘 (NiCd) 等電池的能源密度不會(huì)有太大的提升。預(yù)計(jì)新一代的技術(shù)如燃料電池也無法在未來幾年內(nèi)推出市場(chǎng)。

　　目前有兩個(gè)方案可供手機(jī)廠商選擇。他們大可選用較笨重的電池，但這樣做不會(huì)受消費(fèi)者的歡迎。另一個(gè)方法是不再只顧提高個(gè)別元件的效率，改以電源管理系統(tǒng)作為一個(gè)整體入手，著重大幅度提高整個(gè)電源管理系統(tǒng)的效率。

　　能源效益的全新定義：以系統(tǒng)作為一個(gè)整體來評(píng)估

　　電源管理的定義必須加以擴(kuò)大，除了涵蓋輸出功率之外，還應(yīng)包括功率分配及功率消耗。換言之，供電系統(tǒng)應(yīng)與耗電系統(tǒng)連為一體，讓這兩個(gè)系統(tǒng)可以互相通信，以便大幅節(jié)省能源。

　　要在這方面取得巨大的效益，業(yè)界必須改變目前的生產(chǎn)模式。一向以來，電源管理芯片開發(fā)商與處理器開發(fā)商互不往來，各自開發(fā)自己的技術(shù)。但能源效益的提升目前已差不多到了極限，采用這種各自為政的傳統(tǒng)方法已無法大幅提升能源效益。

先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)

　　業(yè)界領(lǐng)袖深切明白各廠商必須衷誠(chéng)合作，攜手開發(fā)一個(gè)針對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的全面性電源管理系統(tǒng)，才能夠靈活管理嵌入式系統(tǒng)的性能及功耗。這個(gè)全新的取向確保各種不同的節(jié)能技術(shù)可以發(fā)揮相輔相成的作用。

　　以下介紹這種設(shè)計(jì)的理論依據(jù)。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的 PowerWise 技術(shù)以系統(tǒng)作為一個(gè)整體，并在這個(gè)基礎(chǔ)上盡量減低數(shù)字超大規(guī)模集成電路 (VLSI) 的功耗。若耗電系統(tǒng)及供電系統(tǒng)在運(yùn)作上有密切的關(guān)系，PowerWise 技術(shù)便將這兩個(gè)系統(tǒng)連成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，以便減低供電量，但同時(shí)又確保系統(tǒng)能發(fā)揮最高的能源效益。因此，這個(gè)設(shè)計(jì)又稱為自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié) (AVS) 技術(shù)。這種技術(shù)采用符合 AMBAÒ 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的核心。這個(gè)稱為自適應(yīng)電源控制器 (APC) 的可合成核心可與 ARM 的中央處理器互相支持，發(fā)揮相輔相成的作用。自適應(yīng)電源控制器決定需要的功率，并利用高速的低功率 PowerWise 接口將有關(guān)信息通知外置的電源供應(yīng)器。電源供應(yīng)器收到這個(gè)信息之后，便會(huì)利用不同的方法節(jié)省能源。

　　此外，ARM 的智能能源管理程序 (IEM) 軟件技術(shù)采用先進(jìn)的算法，可以按照處理器的實(shí)際工作量靈活調(diào)配供電，使工作量與功耗能夠互相匹配，但又確保系統(tǒng)能夠隨時(shí)作出適當(dāng)?shù)姆磻?yīng)，滿足用戶的性能要求。這種技術(shù)可與手機(jī)的操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序在工作上互相支持，以便標(biāo)準(zhǔn)的編程人員軟件可以靈活調(diào)節(jié)中央處理器的工作量。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的自適應(yīng)電源控制器核心便根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定所需的最低供電，并將這個(gè)供電量通知負(fù)責(zé)調(diào)控外置電源供應(yīng)器的電源管理芯片。

　　智能型能源管理程序技術(shù)采用極為精密的軟件算法，可與嵌入式硬件管理程序配合使用。這種技術(shù)與操作系統(tǒng)及應(yīng)用程序可以在工作上互相支持，以便預(yù)測(cè)處理器的工作量以及確定處理器需要發(fā)揮哪一水平的性能才可在限期內(nèi)完成各項(xiàng)任務(wù)。

盡量縮小體積、大幅節(jié)省成本

　　以第一批推出的移動(dòng)電話來說，其處理器效率可提高 25 至 75%。生產(chǎn)手持式個(gè)人電子設(shè)備的廠商可大幅增加手機(jī)的功能特色，但即使如此，手機(jī)的大小、重量及電池壽命卻絲毫不受影響。事實(shí)上，即使以傳送話音為主的這一代手機(jī)也可利用這個(gè)合作開發(fā)的解決方案，以縮小機(jī)身及電池體積以及降低生產(chǎn)成本，但原有的功能特色則絕對(duì)不受任何影響。

功耗模式

功率不設(shè) AVS

設(shè)有 AVS

備用語(yǔ)音網(wǎng)上視頻 MIPS 模式

　　這個(gè)合作開發(fā)的解決方案也有另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，那就是自適應(yīng)電源控制器 (APC) 可以記錄處理器的不同溫度變化，讓設(shè)計(jì)工程師可以縮小系統(tǒng)芯片 (SOC) 及電源供應(yīng)器的保護(hù)頻帶，因此電源供應(yīng)器無需再為過程中的不同溫度變化作出過量補(bǔ)償；它只需提供最低的電壓便已足夠，因此可以大幅節(jié)省電力及提高成品率。上述所有優(yōu)點(diǎn)都可一一實(shí)現(xiàn)，而最重要的一點(diǎn)是整個(gè)過程無需大幅增加中央處理器或軟件的額外工作。此外，縮小整個(gè)過程中的保護(hù)頻帶及降低電源供應(yīng)器的電壓有助節(jié)省測(cè)試成本及縮小元件的體積。

　　與此同時(shí)，業(yè)界若能衷誠(chéng)合作，將可確保各廠商能夠從不同供應(yīng)商的產(chǎn)品之中挑選最能充分發(fā)揮系統(tǒng)性能的解決方案。

　　目前已有廠商采用這個(gè)合作開發(fā)的解決方案開發(fā)手持式個(gè)人電子產(chǎn)品，預(yù)計(jì)首批產(chǎn)品可望于 2004 年推出消費(fèi)市場(chǎng)。照我們的估計(jì)，這個(gè)先進(jìn)的節(jié)約能源解決方案將會(huì)更廣泛應(yīng)用于各種新一代的移動(dòng)電話之中。

摘自《電子產(chǎn)品世界》

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