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平板电脑基础及系统架构
 

【作者: Ann Starks】2015年02月02日 星期一

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在当今的移动社会中,消费者为满足其需求,对可携式电子产品越来越感兴趣。消费者希望电子产品易于携带、重量轻、并提供过去只有个人电脑(PC)才能提供的功能等级。膝上型电脑的使用在减少,因为平板电脑在系统中整合了更多功能及特性。平板电脑重量轻,易于运输及携带,而且它们基于应用的架构使其非常便于使用。随着技术及处理器方面的进步,如今平板电脑能提供跟膝上型电脑相同的性能。


随着平板电脑受欢迎程度持续提高,人们对更高性能及更长电池使用时间的需求也同样提升,这也为设计人员带来很有意思的挑战。更高性能表示对电​​池的需求提升;因此,处理器、晶片组及所有电子元器件必须优化。尽可能获得最高的能效,从而提供消费者所想要的电池使用时间。虽然电子产品已经大幅优化形状因数及性能,但电池技术已经延滞。平板电脑印制电路板(PCB)空间极为有限,设备电池占用大部分的可用形状因数。目前正在进行研究,寻求新的方法来减小电池总体尺寸,同时维持相同的容量。虽然已经取得进步,但仍不足以用于商业使用。因此,高性能可携式装置的需求依赖于高​​效能系统架构的开发。


系统架构

平板系统架构跟传统个人电脑不同;由于形状因数及电路板空间方面的严格限制,核心晶片组经过重新设计及大幅度整合。通过结合软体及整合晶片组,平板系统架构能够提供足以与个人电脑相竞争的技术性能,同时尺寸符合手掌。


图一显示了平板电脑架构框图;两个主要晶片组分别是应用处理器及电源管理积体电路(PMIC),传统个人电脑在主机板上拥有不同晶片组,用于储存体、中央处理器(CPU)、图形处理器(GPU)、硬碟磁碟机及其他周边硬体。应用处理器将这些功能整合在单晶片中,它的设计旨在与各个子系统连接。这样高的整合度大幅减小的晶片数量,并释出电路板空间。



图一 : 平板电脑系统
图一 : 平板电脑系统

应用处理器与PMIC配合工作以监控、调节系统并操作系统。应用处理器使用ARM架构,提供以逐平台基础定制配置的灵活性。基于RISC的结构简化了系统,要求的元件及处理器数量比传统个人电脑更少,使用者介面包括I2C及USB OTG。晶片在较低电压轨工作,以减少一些系统的功率损耗。


PMIC负责监控系统,作出电源管理决策,并与应用处理器连接。它为电池充电,包含建立不同电压轨所需的电路,并提供过压及过流保护。虽然用于设定电压轨的MOSFET通常被整合在PMIC中,但周边MOSFET仍常使被用,用于反向电压保护、反向电流保护及电池开关。


反向电压及反向电流保护对系统的健全至关重要;传统上,背靠背MOSFET跟系统主电压轨(如USB输入)在一条线上,用于反向电压保护、过流保护及反向电流保护。使用MOSFET提供两项优势:当MOSFET导通时提供极低的导电损耗和极小电压降;当MOSFET关断时提供本体二极体固有的阻断功能。以背靠背的方式连接MOSFET,在MOSFET关断时,提供双向电流阻断功能。如图二所示,PMIC监测电压及电流,当有需要时关断MOSFET,以保护系统。虽然许多这样的电路整合在PMIC中,因为所要求的电压或电流缘故,背靠背MOSFET通常仍然是周边元件。



图二 :  用于保护电路的双MOSFET配置。
图二 : 用于保护电路的双MOSFET配置。

外部电池开关用于将电池与系统其它部分连接及切断连接;电池开关通常是PMOS小信号器件,设计用于采用低压轨工作,提供低导通阻抗,以将开关的导电损耗及电压降减至最小。当系统采用电池供电时,开关仍然导通;当设备连接至外部电源时,开关切断连接。当开关切断时,PMOS器件的内部本体二极体防止电池放电到电路中(漏电流)。因为系统较大的电流要求缘故,通常需要外部电池开关。


对于背靠背MOSFET及电池开关MOSFET而言,导通阻抗及占位面积都是优先考虑因素,从而将系统能效提升至最高,并将使用的电路板空间减至最小。安森美半导体提供封装尺寸分别为2 mm x 2mm及1.6 mm x 1.6 mm的低导通阻抗MOSFET及电池开关MOSFET,包括NTLUD3A50PZ、NTLUS3C13PZ及NTLUS3C18PZ。


电源管理

随着平板电脑越来越受欢迎,对更高性能及更长电池使用时间的需求也升高了。如果没有采用得力的电源管理技术,电池使用时间就会大幅缩短。为了将性能及电池使用时间提升至最高水准,晶片设计人员竭力优化平板电脑设计的各个层面;其中包括优化处理器矽晶片、电气元件及系统控制架构本身。电池形状因数的限制已经导致需要创新的电源管理机制,以将能效提升到最高。其中的一些技术如下所示:


1.动态电压及频率调节(DVFS)─通过软体调节电压及频率至准时完成每个处理器任何要求的最小值,降低每个任务期间的总能耗。


2.处理器内核之间的负载均衡─不需要满额处理能力时,应用处理器关闭处理器中未使用的部分,并均衡负载,以将未充分利用的处理器内核的性能提升至最高。例如,如果内核1正在运行大多数处理任务,而内核2运行少部分任务,那么负载均衡技术将内核2处理的任务移到内核1,使内核2能够关闭。这就能在不需要时关闭不用的电压轨及处理器内核,?明系统大幅省电。


3.关闭处理器闲置/未用部分─应用处理器矽晶片本身分为不同部分,每个部分都能够被单独导通或关闭,而主处理能力持续供给系统使用。这种矽片的功能划分提供在没有需要时关闭非关键区段的方式。多核处理器将额外的内核保持在睡眠模式或关闭,直到有需要时才再使用。


4.区分VCORE及逻辑电压轨─应用处理器本身内部的电压轨是分开的,能够关掉未使用的电压轨及电路,直到有需要时才再使用。


除了上述电源管理技术,在有可能的场合还能进行单独的元器件进行省电。要选择高性能的元件,如低能耗及包含内置电源管理的储存体。还可以使用电平转换器来向上及向下调节电压。业界还在研究各种电池化学特性,以将电池容量提升至最大。


市场趋势/平板电脑未来

随着平板电脑继续获得发展动力,消费者渴求更大萤幕、更高性能及更纤薄形状因数。业界还在研究各种电池化学特性,以优化电池设计本身。当前的平板电脑设计正在增加电池数量以实现更长的电池使用时间。随着智慧手机受欢迎程度及需求的升高,低成本平板电脑如今面向更广大的消费者群体。平板电脑市场已经分裂为两个区隔,分别是低端及高端平板电脑。高端平板电脑将功能整合到高整合度的晶片组中,往往使用四核处理器。低端平板电脑使用更加分离的方案,使用的晶片组较大。平板电脑市场将继续扩充,为积体电路晶片及分离元器件皆提供众多商机。 (本文作者为安森美半导体应用工程师)


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