目前单芯片系统设计（System-on-a-Chip；SoC）解决方案在满足这些挑战的过程举足轻重。额外的功能，例如内含背光的彩色LCD显示屏幕、声音子系统、相机功能、无线局域网络（WLANs）、蓝芽（Bluetooth）通讯与其他整合式的无线电/模拟功能，皆会耗用原本为高阶消费者应用程序而保留的电力。随着对整合声音、数据、网络浏览与声音/影像播放功能的需求不断增加，如何提高电力管理效能便成为首要任务。(图一)便说明了这类产品在研发上不断增加的功能与对电池效力不断增加的期望值。

上一代处理器的省电模式

通常处理器中皆默认了省电模式，包含打盹模式（doze mode)、脉冲模式（burst mode)与休眠模式（sleep mode)。在PDA的组态设定中，系统可以接受用户要求的指令（例如屏幕触控输入），然后建立待命模式以准备接受下一个指令。在待命时，可以透过已默认打盹模式的处理器，只让LCD屏幕维持在启动的状态，而此待命状态可藉由中断事件令而中断。脉冲模式通常用于数据取得应用程序中，当处理器的运作频率达到最高（同时这也最消耗电力）可以藉由减缓CPU作业周期（CPU duty cycle）而降低电力耗损。同样地，脉冲模式也可以藉由产生中断事件来关闭。当电池遇到重要性低的事件或被关闭时，处理器便可被设定为进入休眠模式，此时除了实时时钟（real-time clock；RTC）功能之外，其他功能都会进入闲置而不使用的状态。通常为使RTC维持正确的日期与时间只需要不到1μA的电力。因此省电功能便只能由内嵌的处理器韧体程序代码来执行。

《图一 PDA与电池平均使用时间的发展》

透过应用程序处理器节省电源的设计考虑

虽然应用程序处理器已经成为SoC解决方案的万灵丹，但是低耗电量设计考虑的额定功率，现在也已经是以每兆赫有多少毫瓦特（milliwatts per Megahertz；mW/MHz）的方式来计算了。而这些应用程序处理器可能还有最低0.08mW/MHz，最高达0.42mW/MHz的比例。为支持额外的省电功能，它可能包含整合式的智能型LCD显示屏幕，拥有内部存储器供影像缓冲之用，以及独立的控制器以减少CPU更新屏幕上影像的周期。其他则透过0.13微米制程来制造，因此可以降低内部I/O的耗电量与核心电压，并提供漏电流控制。其他技术则包括透过电源管理软件来降低CPU作业周期与运作频率。

采用这些技术的其中一个范例便是Intel的ARM-based、PXA27x XScale处理器架构，可透过智能型切换至多种低耗电量模式，在运算中直接调整电压与操作频率，同时维持应用程序的执行效能。透过其六种运作模式（一般、闲置、深层闲置、待命、休眠与深层休眠），PXA27x便可提供更高的省电效率。PXA27x架构需要最多10个独立电源区，来控制可独立开关的电源。降低处理器输入核心电压与运作频率，便能够降低高达两倍的电源消耗量。通常处理器皆有如下方程序所示，与输入核心电压的平方值成比例的电力消耗值：

P＝C × (V2－f)

其中

C＝芯片电容量

V＝核心电压

f＝频率。

由于PXA27x解决方案拥有省电的优点，因此省电管理IC（power management IC；PMIC）解决方案便会被一长串的供应电压需求阻碍，这些电压包括1.1V、1.3V、1.8V、2.5V与3.3V。为了支持动态电压调整功能，PMIC需要一个0.85V至1.55V的额外可程序化输出电源以提供核心电压所需的电力。可程序化的范围将会有50mV至100 mV的步阶调整数值（请参见图二）。PMIC可透过一个普通的I2C总线连接至可程序化的缓存器（register），来简化大部分应用程序处理器的接口。

选择充电式备用电池

热门的单电池锂离子（Li-Ion）电池可提供3.6V的额定电压，电压范围由2.7V至完全充电的4.2V。可携式电源设计使用的其他电池类型则包括锂聚合物（Li-Pol）、锂锰二氧化物（Li-MnO2）、硬币式电池（coin-cell batteries）与镍氢（Nickel-Metal Hydride；Ni-MH）电池。锂离子电池提供了最佳的单位重量密度，但是通常都因为其不稳定性而需要使用保护电路来保护电池。锂聚合物电池则有薄型化的几何外型，且没有易燃的问题。智能型手机与移动电话拥有较机械化的弹性，可采用比PDA薄型化尺寸所采用的电池密度更高的电池。

选择电源管理装置

在评估过电源要求的列表之后，可以看到两个主要的电源拓朴类型：

《图二 驱动应用程序处理器中的核心电压的智能型电源管理方式》

• ●可程序化的低压降（LDO）调节器：供数字加载与无线电加载之用，以及一个固定的LDO供备用电池电压之用；





• ●可程序化的直流-直流切换调节器：供轻载与重载之用。

对同时拥有低输入电压与低输出电流的多插槽来说，使用CMOS制程技术将数个LDO整合到单一芯片中乃是最佳的选择。LDO一般皆可支持100mV的压降。为了驱动RF电路，LDO也必须能够具有低输出干扰，例如每个已知带宽为100μVRMS。并且每个LDO也必须都有启动/关闭功能。当LDO被停用时，静止的电流便应该在μA的范围内以延长电池使用时间。

选择以高效率与高电流驱动为基础的降压切换（buck switching）直流-直流稳压器，便能为可携式电源提供一个平衡稳定的解决方案。为了将电力耗用速度降到最低并延长电池使用时间，最好是选择可支持高达90％或更高效率的PMIC装置。为了达到这个目标，PMIC装置便必须透过同步整流来将切换损失现象降到最低。

这可利用内部MOSFET来完成，而不是藉由效率较低的传统Schottky两极体来完成。讽刺的是，MOSFET有较高的顺向电压，这是因为其内部本体二极管产生的问题，可利用Schottky二极管并联，来改善顺向电压的损失。当然，在可携式电源应用中，将MOSFET整合至PMIC中乃是一项标准规格。切换降压稳压器必须保留其藉由管理作业周期来驱动的电流输出。当切换调节器驱动较重载时，它便可以在固定的频率上使用PWM模式。在轻载中，切换调节器便可使用PFM或脉冲跳越模式切换为较低的频率。降压调节器必须能够在100％作业周期的情况下运作，以便在输入电压已降至最低的电压下，也同样能在有限的时间下支持输出电压的低损失控制功能。如同在LDO部分中所讨论的一样，切换稳压器也需要有启动/停用功能。

另一个关键功能便是拥有板上电池监控功能，以及可在备用电池与由LDO供电的VCC-BATT之间自动切换的备用电池充电器。幸运的是，现在已经有可支持上面大部分功能的整合式电源管理解决方案了。相较之下，之前的解决方案皆需要多个PMIC，且无法支持动态电压管理功能，而新发布的解决方案则均提供以SoC解决方案为动力的解决方案。

《图三 应用程序处理器与系统接口设备的电源设计考虑》

额外的系统设计电源要求

应用程序处理器通常可支持其他的外接周边装置，包括外接的SRAM、蓝芽（Bluetooth）、无线局域网络（WLAN）/802.11x、相机接口、MMC/SD记忆卡、memory stick记忆卡、USB接口、外接式绘图处理器、LCD显示器以及含有背光的显示器，如(图三)所示。藉由将额外的电源供应要求与这些周边装置整合起来，设计工程师便可以做出明智的决定，来决定是否要让切换式的直流-直流调节器与/或LDO能够为额外的供电架构提供电源。

（作者为NS美国国家半导体首席应用工程师）

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