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電源管理單元
閱讀�5429時間�2011-08-30 09:48:36

  電源管理單元(power management unit簡稱PMU)是一種高度集成的、針對便攜式�(yīng)用的電源管理方案,即將傳�(tǒng)分立的若干類電源管理器件整合在單個的封裝之內(nèi),這樣可實�(xiàn)更高的電源轉(zhuǎn)換效率和更低功耗,及更少的組件�(shù)以適�(yīng)縮小的板級空��

概述

  每一代新的移動便攜式�(shè)備都會比前一代的�(chǎn)品提供更多的功能。這些年來,手機從單純只用于通話的設(shè)備演變成具有拍照、瀏覽視頻短片、看電視、聽MP3和調(diào)頻收音機、玩3D游戲以及與PC交換信息等功�。為實現(xiàn)這些功能,手機已不僅是連接到移動電話網(wǎng)�(luò),而且還可能連接到無線局域網(wǎng)并與PC通信,或者使用藍牙技�(shù)連接無線耳機。所有這些附加的功能都要靠電池組提供電��

  對早先幾代的手機來說,依靠硅芯片與電池技�(shù)的進步就可以增加通話時間和待機時�。更高效RF放大器和新型CMOS邏輯芯片的能耗比前一代更�。射頻信號處理與�(shù)字信號處理算法的�(fā)展進一步降低了功耗。與此同�,新的電池技�(shù)也能提供更高的能�,尤其是對極高存儲密度先進鋰離子電池的開�(fā)和應(yīng)��

  而今,情況發(fā)生了改變。與前幾代CMOS工藝不同的是,的深亞微米(<100nm)CMOS工藝是集成更多功能的必要條件,但集成密度的提高并未相�(yīng)帶來功耗的下降。相反,更多功能造成更高的功�,而CMOS工藝技�(shù)的發(fā)展不再能夠彌補這一增加的功�。同時電池技�(shù)的發(fā)展也無法實現(xiàn)這種彌補。因�,如今的多媒體手機再次逼近運行時間極限。系�(tǒng)�(shè)計者必須尋找新的方法以降低系統(tǒng)的總體功��

  目前系統(tǒng)中常用的兩種技�(shù)是電壓域切換和電壓調(diào)�。電壓域切換適用于在任一時刻并不要用到設(shè)備中所有功能的情況。例�,當(dāng)多媒體設(shè)備播放某種媒體時,通常與處理其它類型媒體的電路沒有�(guān)�。因此,就可以關(guān)閉這部分未用電路的電源,將其功耗降為近乎零。盡管這種方法向克服深亞微米CMOS工藝漏電流問題邁出了重要步伐,但它僅能節(jié)省待機功�。當(dāng)電路處于激活狀�(tài)�,它并不能節(jié)省任何靜�(tài)或動�(tài)功��

  �(xiàn)在對激活狀�(tài)下功耗的解決辦法是電壓調(diào)整技�(shù),它依賴于加在CMOS邏輯電路上的電壓與時鐘的速度之間相關(guān)性。較快的時鐘速度需要較高的電壓,很明顯,這些參數(shù)的提高都會增加動�(tài)功��

  在多�(shù)VLSI�(shù)字芯片中,某些部分的運行速度需要高于其它部�,而在傳統(tǒng)器件�,通常整個芯片都工作在時鐘頻率下,并且整體芯片都要供電以維持這個時鐘頻�。這樣就造成較高的功�,實際上芯片中的某些部分原本可以運行在較低的速度��

  通過使用電壓�(diào)整方法時,芯片采用兩種以上供電電壓,較高速的邏輯被劃分在一些由較高電壓供電的島�(nèi),而較低速邏輯則位于低供電電壓的島內(nèi)。因而這些島中的時鐘速度就可以作相應(yīng)的調(diào)整�

  因此,許多SoC解決方案需要能提供多種電壓的電源,這些電壓是電壓調(diào)整所需�,另外這些電源還可以與功能同步�、關(guān)這些供電電壓,以支持電壓域切�。對于電池供電的�(shè)備,它們還必須能夠高效地將電池輸出電壓�(zhuǎn)換為芯片所需電壓(DC/DC�(zhuǎn)�),以盡量減少�(zhuǎn)換期間的功率損失。在很多情況�,它們還要控制電池的充電過程�

  這些新型電源電路通常叫做電源管理單元(PMU),因為與前代方案相比,它們在電源控制方面�(fā)揮了更活躍得多的作用�

架構(gòu)

  �(dāng)�(shè)計者要決定系統(tǒng)如何劃分�,必須在集中式與分布式電源分配方案中作出選擇:前者是將單只PMU緊靠系統(tǒng)的主處理器用于實�(xiàn)所有的電源切換與電壓調(diào)整功�;后者則是每個子系統(tǒng)都擁有自己的PMU。決策過程取決于兩個主要因素:�(yīng)用及響應(yīng)速度,以及所需電源管理的間隔尺�(granularity)�

  在很多應(yīng)用中例如高端多媒體手�,制造商用一種模塊化方案來增加功能,即在一個基�(chǔ)�(shè)計上增加模塊來實�(xiàn)某個特定功�,如藍牙、Wi-Fi或手機電視模�。這種情況�,如果采用集中式PMU架構(gòu),則各種變種手機型號中未使用的PMU功能仍會繼續(xù)保留,造成浪費。但對于固定架構(gòu)的裝置如MP3播放機或音樂播放盒,集中式PMU仍是成本效益的選擇之一�

  然�,融合的趨勢促使更多功能被采用到移動便攜�(shè)備中,其它技�(shù)因素也有力地推動分布式PMU�(jié)�(gòu)占據(jù)主導(dǎo)地位。為節(jié)省更多功耗,PMU要緊密耦合到其控制的子系統(tǒng)�,而不是主系統(tǒng)的處理器。例�,對一個手機的電視子系�(tǒng),在相關(guān)廣播幀之間的間隔內(nèi)�(guān)閉大部分前端接收機電路可以節(jié)省相�(dāng)多的功耗。這種�(zhuǎn)換的時序需要微秒級的精�,只能在電視手機基帶處理器與其PMU之間建立直接控制電路來實�(xiàn)。因�,PMU及耦合到子系統(tǒng)的方式可以是非常特定��

  分布式PMU方案還非常靈�。你只需圍繞系統(tǒng)布放一根電源軌(通常是電池的連接�),所有外圍都把它�(dāng)作自己的電源連接�,而不需要考慮其它的電源連接。每個外圍電路中嵌入的PMU�(fù)�(zé)本地的全部電源管理。而在集中式PMU�(jié)�(gòu)�,你必須�(yù)先知道哪個外圍可能會連接到PMU,還要保證在各種可能的組合情況下,所有電源電壓和時序都能正確無誤�

廠商

  由于對行�(yè)與消費者的意義日益重要,PMU智能電源管理已經(jīng)是大勢所趨,“主�+PMU”的模式越來越受到產(chǎn)�(yè)上下游的青睞,包括TI、Philips Semiconductor、National Semiconductor國際巨頭都推出了相應(yīng)的產(chǎn)��

�(fā)展趨�

  除了DVFS所需的片上性能�(jiān)控器以外,未來還將有越來越多的電源管理功能移至芯片上。例如在手機市場上,越來越多的附加功能采用SoC來實�(xiàn),現(xiàn)在已�(jīng)有種需求是將每片SoC直接連接在公共的�(zhǔn)�(wěn)壓電壓軌�,一般在1.8V左右。這樣就要求DVFS所需的可編程�(wěn)壓器移至芯片�,而不是集成到一個獨立的PMU�。鑒于這一因素,飛利浦公司已經(jīng)開始遷移很多與PMU相關(guān)的IP,即從當(dāng)前的0.25um C050PMU工藝直接�(zhuǎn)到深亞微米CMOS工藝技�(shù)�

  在電池與這些SoC之間,只需要用一個高效率的DC/DC�(zhuǎn)換器生成公共電源?,F(xiàn)有的DC/DC�(zhuǎn)換器已經(jīng)能夠在所有負(fù)載條件下提供高于90%的效�。但是,要將它們做到小型化還有相當(dāng)多的工作要做。對于一�鋰電池生�(chǎn)商來�,這是需要解決的問題之一�

  �(xiàn)有的開關(guān)模式�(zhuǎn)換器工作頻率大約�2MHz,因此仍然要使用體積相對較大的電感器。正在開�(fā)中的新型�(zhuǎn)換器工作頻率�10MHz以上,它可以使電感器體積減小到可以集成的程度,即使不是放在片�,也可以作為系統(tǒng)級封�(SiP)PMU方案的一部分。還有一種很快就可能集成到PMU中的元件,即基準(zhǔn)電壓和LDO的輸出去耦電�。作為無源集成工具箱中的一部分,飛利浦已經(jīng)擁有一種工藝技�(shù),能在硅片上實現(xiàn)高達230nF/mm2的電容密度,可以用于SiP方案的集��

  另外不要忘記,移動設(shè)備的液晶屏和背光照明功耗通常要占到總體的一�。新型顯示技�(shù)與相�(yīng)的PMU�(jié)�,也能在降低總體功耗方面扮演相�(dāng)重要的角��

維庫電子�,電子知識,一查百��

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