便携式多媒体设备的电源管理新思路

标签：DSP  FPGA

所有电气和电子设备都需要某种形式的电源管理，从简单的开关到先进的电源管理单元无不如此。电源管理的进步有目共睹，它已成为一种实用技术，将为明天的设备性能和功能提供令人激动的创新。有效的电源管理既可实现新技术，又可使最终设备个性化，而立法和标准已使电源问题成为产品开发概念阶段的一个重要议题。

便携式多媒体播放器(PMP)市场是当前发展最快的移动娱乐市场之一。根据2005年IDC的报告，截至2009年，PMP市场的销售额将达24亿美元。通过推出一些具有丰富多媒体功能的创新PMP产品，OEM厂商正雄心勃勃争夺这块市场的份额，市场形势令人振奋。

电源管理新进展

每款PMP都存在电源方面的问题，因此电源续航能力和可更换理念对于其未来的发展具有重要意义。虽然电源系统性能通常不是消费者选择便携产品的首要因素，但电源的性能优劣足以影响整个系统的质量。目前系统设计人员广泛采用一些设计技巧来降低系统功耗，如：降低工作电压、优化系统和CPU时钟频率、避免上电过程中的大电流脉冲;有效地管理系统电池、管理系统工作模式;尽可能降低总线活动、总线电容和转换噪声等。

我们认为，PMP在处理电源管理问题时主要面临以下几个方面：提高器件转换效率和降低功耗;使器件的封装更小;提高电源管理芯片与系统的集成度，降低系统整体功耗;符合环保要求，具有极高的能源效益。下面我们将从四个层次来解读目前便携式电子产品的电源管理新方法：先进的半导体工艺与封装技术、系统考虑用电需求、管理负载用电、数字管理和控制。

电源管理IC供应商目前主要利用先进的半导体工艺来提高转换效率。如美国国家半导体采用低电压低功耗CMOS工艺来减小静态电流，提高转换效率。在减小器件体积方面，主要是进一步提高集成度和采用更先进的封装技术，如CSP、LLP和Micro SMD等等。如今封装技术的发展重点有三方面：封装越来越小，封装芯片已基本可接近裸片的大小;封装的厚度不断减小;I/O密度不断提高。

便携产品电源管理技术的另一个趋势是朝着电源管理与系统整合的方向发展。长期以来，处理器供应商及电源管理芯片厂商都各自开发自己的技术，但传统技术的改进始终有其局限性，电池能量的利用效率几乎已达到了极限，未来的提升幅度不大。要在效率方面寻求新的突破，就必须改变传统的思路，采用全新的方法，全面考虑整个系统的用电要求，以智能型电源管理芯片来管理系统的性能及功耗。

人们通常以为，所谓电源管理就是利用最有效率而又最具成本效益的方法将电源供电馈送到有关的负载。其实，未来电源管理技术的发展将逐渐转向管理负载用电。也就是将负载的特性进行划分，将电子系统视为信号路径，其中的电路(无论是分立式还是内置式)分别负责不同的工作，例如信号的放大、转换及处理。在这个过程中，不同的电路有不同的供电要求，例如部分电路虽然执行不同的工作，但其中所耗用的电量相同;而在另一些电路中，不同工作的耗电量则各不相同。这些不同的要求为半导体产品提供一个可以充分发挥其所长的绝佳机会，电源管理芯片也因此成为电子产品最重要的元件之一。因此，采用“动态供电”技术，即根据系统负载的变化对供电做出相应调整，即可将不同状态的功耗降至最低。实现“动态供电”需要处理器与电源管理器件相互配合。

数字管理和控制是电源管理的新思路。由于分布式电源结构中有若干复杂的负载，且在高档消费产品中日渐增加，因此先进电源管理技术需求日渐旺盛。诸如DSP、FPGA和微控制器等复杂负载经常有一个以上的电源通道。由于摩尔定律的推动，中央内核或DSP一直在追逐降低电压。I/O电路或通信接口则需要标准的更高的电压通道运行。当内核电压下降到1V以下时，器件的泄漏电流就会增加。为了减少泄漏电流，先进的图形和DSP普遍采用了增加一个负电压偏置的底层偏置电路。一旦系统的电源通道达到6个以上，就必须注意这些通道对可靠运行所需的时序和控制问题。

数字电源控制，也称为“回路内部的处理器”则是一个完全不同的问题。它必须对两个数字串进行比较以产生脉冲宽度来驱动电源开关，而不是使用传统模拟PWM比较器的方法。这种适用技术可用于负载时间恒定的应用中，使电源运行在100kHz以下，例如功率因数校正、非中断电源、多个化学电池充电和电机控制;还可用于采用若干可配置的PWM内核及控制、诊断和接口电路的手机和PDA的PMU等其他应用。运行时间控制电路中的子电路或外设可为其电流状态提供最适宜的运行电压，以节省能量，数字电源控制可使调节器更加灵敏和灵活。

数字控制的电源管理案例

目前PMP比较常见的功能包括：MPEG4播放、电视节目录制、MP3/WMA音频播放、录音、图片显示、游戏和存储功能(HDD/CF/SD)等。电源是整个系统稳定的根源，功耗则是PMP的敏感问题，所以在选择芯片的时候就要考虑这一点。过去几年里，电源管理器件供应商一直在开发能够满足多方面需求的单片解决方案。这样不仅可减少IC数量，还可省去支持这些IC的分立器件，降低产品成本，减小产品体积。

美国国家半导体推出的业界第一款采用数字技术控制的PowerWise电源管理单元(EMU)LP5550芯片不但可以支持自适应电压调节功能，有助于延长电池寿命，还可支持更多新的功能。电池供电的便携产品只要采用这款高度集成的电源管理芯片，即可减少数字处理器的功耗。该芯片可与国半的先进功率控制器及ARM公司的智能电源管理(IEM)技术一起使用，将数字处理器核心的功耗降低70%。其先进功率控制器也可支持两家公司为业界制定的开放式PowerWise接口(PWI)标准。

除了在硬件设计中考虑功耗，软件设计中同样需要。硬件设计好以后，一般来说功耗就定下来了，但是利用芯片的可编程性可以尽可能地降低系统功耗，在提供最佳效果的同时，利用软件调节获得最长的待机和播放时间。方法之一是在待机时让芯片进入低功耗模式。