电源管理基于许多因素，已成为越来越重要的课题。提高电池续航力，并设法在产品中加入更多功能，一直是行动手持嵌入式系统所面临的严峻考验。电池化学材料科技的进步速度过慢，无法及时满足业者需求，因此硅组件厂商想纾解眼前的压力，就必须在更低功耗下达到更高效能。

另一方面，持续缩短的研发周期，促使业者必须因应上市时程的要求，因此必须在更低功耗下提供高弹性且可编程的组件。此外，环保的趋势要求厂商减少电池废弃物，使得嵌入式系统必须减少电池更换的次数。另一方面还有政府的管制规范（像是能源之星），这些全球适用的标准其目的是要降低设备在待机时消耗的电流。新一代的嵌入式系统仅需要极低的作业与睡眠模式耗电，同时能提高弹性与可编程能力，以因应上市时程的要求。

除了降低消耗电流外，业者还须降低系统电压。在几年前，最低运作电压的标准是3.3伏特。如今标准已降至1.8伏特。顺着这个趋势，未来的装置必定会采用低于1伏特的电压。这将让业者未来运用SoC开发出的产品，仅需一颗三号或四号电池就能运作（电池电力耗尽时的电压约为0.9伏特）。虽然一些采用SoC的设计，目前能在1.8伏特的电压下运作，但模拟组件的效能在这么低的电压下经常会有效能衰退的问题。

对于需要理想模拟效能的手持电池供电装置而言，系统若能在低于1伏特的电压下运作，并且仍满足模拟组件的效能需求，通常就能转移至单颗三号或四号电池的设计。这不仅让消费者减少成本，亦减少电池的消耗数量。

如何在低于1伏特的电压下运作？

当嵌入式SoC组件内建一个升压式转换器，能把输入电压（例如0.9伏特的输入电压）转换成更高的系统电压（例如3.3伏特），就能在低于1伏特的电压下运作。在这种模式下，须注意升压式转换器产生的噪声不能影响到模拟周边组件的效能。图一显示Cypress的PSoC 3可编程系统单芯片内的整合式升压转换器，其系统层级的链接。

《图一 系统层级的链接设计，用来将外部低电压转换成更高的内部电压》 - BigPic:716x550

采用一个能接受低于1伏特电压的整合式升压转换器，能得到以下好处：

• (1)系统仅需一颗三号电池或四号电池就能运作





• (2)即使电源的电压变动，仍能保证提供最低系统电压





• (3)能使用升压后的输出电压，让系统中其他需要更高电压的电路能顺利运行。例如液晶屏幕的玻璃面板、传感器电路等。

更广的电源电压范围

在更广的电源电压范围下，从1.8伏特（从0.9伏特经过升压转换）至5.5伏特，能为用户提供最高的弹性，这是因为：

• (1)能涵盖标准的电池电压范围，包括各种最常见的电池，一直持续到电池寿命结束为止，如表一所示。





• (2)兼容于旧系统所使用的3.3伏特与5伏特。





• (3)高耗尽电压5.5伏特，提供5伏特以上的余裕空间，让用户能针对旧系统进行全范围（rail-to-rail）的讯号量测。

在面临范围较广的外部电压时，想让硅组件维持稳定的低核心电压，可在组件内运用内建式低压差稳压器。针对数字与模拟组件分别配置不同的内部稳压器，可确保不会因子位件电压所产生的噪声，而导致模拟组件的效能衰减。图二显示系统层级的链接，以及内部稳压器，面对的是较大的电压范围。

《图二 内部稳压器的系统层级链接》 - BigPic:999x943

在图二中，Vddd与Vdda的范围为1.71伏特到5.5伏特，内建的模拟与数字稳压器，确保核心继续在稳定的低电压下运作。在妥善的设计下，此系统亦能确保在整个电压范围内，模拟组件的效能可维持一致。

为I/O插槽提供独立的电源

为提供系统中其他需要不同系统电压的组件链接接口，SoC需另一个I/O电源，能单独设定成大电压范围内的任何伏特值。一个SoC拥有4个I/O链接插槽，每个I/O插槽可使用1.8伏特至5伏特范围内的任何电压来驱动，故能紧密链接至印刷电路板上其他组件，如图三所示。

《图三 每个I/O插槽各自独立的电源电压，针对其他使用不同电压的组件，提供紧密链接的接口》

弹性电源模式

业界仍存在可编程系统耗电过高的迷思，然而许多审慎规划的可编程SoC，其世界级的功耗数据足以媲美独立型微控制器。考虑顾客的应用后，本文把适合的耗电模式以及其耗电数据整理成表二。

当用户启用系统时，系统的正常运作模式就是表二中的作业模式。在这种模式中，可藉由一个可编程SoC来选择要关闭哪些周边组件。

在特殊作业模式中，可选择启用较少的周边组件。系统可从正常作业模式切换到这种耗电较低的特殊作业模式。当离开这种模式时，系统会回复到正常的作业模式。举一个例子，一个有屏幕的嵌入式系统，关闭屏幕电源时，还是能单独运作。当屏幕需要关闭时，系统会进入特殊作业模式，并关闭屏幕显示周边组件电源。

在使用电池的嵌入式系统方面，睡眠模式是一种常用的模式。在这种耗电极低的模式下，所有周边组件都切换至低功耗状态，实时频率则维持运作。对于在作业与睡眠模式下需要维持作业的系统，亦可采用这种模式。举一个实例，一个温度传感器需要每分钟更新其量测数据。系统每一分钟会被唤醒一次，撷取数据后又切换回睡眠模式，结果就是降低平均功耗。

休眠模式是功耗最低的组件运作模式，内存内储存的内容以及组态数据都能继续保存。透过I/O来源来唤醒系统的功能，让用户或是系统中另一个组件都能唤醒系统。休眠模式亦可取代掌上型装置的电源开关（按下任何一个按钮都可启动该装置）。

结语

可编程SoC（PSoC）不仅具备极高的整合度，还让用户能运用可组态与可编程的系统，自行建构客制化的周边组件。细心设计可编程SoC，能得到电源管理功能，不仅具备媲美微控制器的耗电数据，还提供一个可组态的电源管理系统，亦能提供精准的模拟效能。

---作者为赛普拉斯半导体工程经理---