evin Belnap 和 Jeff Falin
德州儀器(TI)
優(yōu)化 SoC、DSP 與 MCU 的功耗能夠帶來(lái)顯著優(yōu)勢(shì)。與此同時(shí),還可進(jìn)一步加強(qiáng)不同 IC 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)作。本文匯集了德州儀器在 DSP、MCU 以及模擬業(yè)務(wù)部有關(guān)電源設(shè)計(jì)骨干力量的智慧,將討論當(dāng)前日益突顯的電源問(wèn)題解決方案。
電源:從設(shè)計(jì)角度上講,減少耗電,追求更高性能是關(guān)鍵,但供電不夠,則一事無(wú)成。
我們生活在一個(gè)電力有限的世界中。電池供電的系統(tǒng)是供電問(wèn)題討論最多的環(huán)節(jié),但實(shí)際上電源問(wèn)題無(wú)所不在,從額定千瓦級(jí)的工業(yè)馬達(dá),到移動(dòng)電話,乃至每周喚醒一次發(fā)送遙感信息、由傳感器啟動(dòng)的設(shè)備,不一而足。到 2020 年,僅美國(guó)的能耗預(yù)計(jì)就將增長(zhǎng)約 32%。人們對(duì)電力的巨大需求對(duì)自然資源、電網(wǎng)、我們的錢包以及企業(yè)發(fā)展均提出了巨大挑戰(zhàn)。
努力實(shí)現(xiàn)更加節(jié)能的未來(lái),這將使低功耗技術(shù)的重要性進(jìn)一步突顯。工程師十多年來(lái)一直在努力解決電源問(wèn)題,在電源管理芯片、系統(tǒng)以及軟件方面取得了一些重大進(jìn)展。
從制造角度上講,工藝工程師不斷降低供電電壓,縮減晶體管尺寸。數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)、應(yīng)用處理器與微控制器 (MCU) 的設(shè)計(jì)人員不斷提高技術(shù)創(chuàng)造性,推出了越來(lái)越多的節(jié)能模式,采用時(shí)鐘門控與低功耗單元庫(kù)等技術(shù)補(bǔ)充低功耗工藝。此外,系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員與軟件工程師也開發(fā)了多種選擇技術(shù)。
隨著產(chǎn)品特性的發(fā)展與消費(fèi)者預(yù)期的提高,用更少的能源實(shí)現(xiàn)更高性能的需求始終保持不變。半導(dǎo)體技術(shù)通過(guò)結(jié)合高效與智能,在節(jié)能領(lǐng)域中正發(fā)揮著重要作用。在芯片與系統(tǒng)設(shè)計(jì)中確保節(jié)能特性,使我們?nèi)粘Ｊ褂玫漠a(chǎn)品更加高效,這將幫助消費(fèi)者更好地承擔(dān)節(jié)能環(huán)保義務(wù)。
那么,我們?cè)趺床拍苁构?jié)能技術(shù)更上層樓呢？業(yè)界規(guī)劃遠(yuǎn)景目標(biāo)的一個(gè)重要途徑,就是認(rèn)真考察當(dāng)前技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)并明確其發(fā)展反向。不同技術(shù)的集成至少可以解決部分節(jié)能問(wèn)題。與生活中許多情況一樣,其整體的效果大于個(gè)體之和。
工藝技術(shù)的細(xì)微差別
工藝流程節(jié)點(diǎn)從 90 納米向 65 納米再向 45 納米的過(guò)渡,使芯片功耗不斷降低,這主要是由于高密度芯片的工作電壓較低,功率與電壓的平方成正比。然而,這也會(huì)帶來(lái)不良影響,高級(jí)工藝的隔離層越來(lái)越薄會(huì)導(dǎo)致某個(gè)靜態(tài)電路的漏電加大。
為了在 DSP、應(yīng)用處理器或片上系統(tǒng) (SoC) 不增加功能值的情況下控制工作電流的功率損失,IC 設(shè)計(jì)人員發(fā)明了時(shí)鐘門控等技術(shù),可在芯片某些部分不使用的情況下將其關(guān)閉。在系統(tǒng)不使用芯片時(shí),還可將整個(gè)芯片關(guān)閉,從而實(shí)現(xiàn)更顯著的節(jié)電效果。這種方法盡管效率很高,但有時(shí)需要采用極低功耗的 MCU 進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外,在系統(tǒng)需要打開較大芯片時(shí),這就要求實(shí)現(xiàn)極為緊密的 MCU 與 SoC 鏈接 (linkage),確保即時(shí)操作與 SoC 的迅速喚醒。
盡管這些技術(shù)仍在發(fā)揮重要作用,但是,如果在此基礎(chǔ)上做細(xì)微的變化,還能進(jìn)一步提高節(jié)能性。例如,德州儀器 (TI) 的 Smart Reflex技術(shù)可充分利用工藝范圍 (process corner) 各種變化優(yōu)勢(shì),監(jiān)控器件在硅接點(diǎn) (silicon junctions) 處的工作情況、操作模式以及溫度。有關(guān)數(shù)據(jù)使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓與頻率,實(shí)現(xiàn)最大限度地降低功耗。此外,Smart Reflex 技術(shù)還可調(diào)整多核芯片的用電,降低芯片級(jí)功耗。
芯片間協(xié)作
DSP 與 SoC 的電源高級(jí)技術(shù)取得了許多進(jìn)展的同時(shí),不過(guò)它們本身從定義上說(shuō)仍是門數(shù)量較高的器件,在不同占空比情況下,有時(shí)如果將某些功能轉(zhuǎn)移至片外,比如用低功耗 MCU 作為系統(tǒng)監(jiān)控器,可能更省電。不過(guò),這樣做必須滿足兩個(gè)條件:一是芯片間的通信必須做到快速、可靠與高效,二是 MCU 必須工作在極低的功耗下,并要支持快速喚醒與關(guān)斷時(shí)間。
圖 1 顯示了小型 MCU 對(duì)主處理器的電源排序與電源管理技術(shù)。MCU 上的軟件例程按適當(dāng)順序啟動(dòng)主處理器穩(wěn)壓器,并通過(guò)內(nèi)部 ADC 檢驗(yàn)電源軌達(dá)到適當(dāng)電壓的時(shí)間。不需要主處理器時(shí),可采用穩(wěn)壓器的關(guān)斷特性來(lái)關(guān)閉主處理器,從而可將主處理器的耗電從 70 微安降至幾微安。
圖1:MCU 管理主處理器的電源排序,并實(shí)施電源管理。
系統(tǒng)需要的一些始終工作的簡(jiǎn)單功能如果不是由門數(shù)較多的 SoC 或 DSP 執(zhí)行,而是由配合 DSP 工作的 MCU 完成,通常可實(shí)現(xiàn)更低的功耗。其它這樣的系統(tǒng)或監(jiān)控功能還包括:
電源監(jiān)控與復(fù)位；電源排序；實(shí)時(shí)時(shí)鐘保持；人機(jī)接口管理；電池管理；顯示管理。DSP 通常采用多個(gè)電源軌,必須上電排序才能實(shí)現(xiàn)正常工作。從系統(tǒng)級(jí)講,電源監(jiān)控、復(fù)位監(jiān)控以及電源排序等都是非常基本的監(jiān)控功能,這些功能往往通過(guò)固定功能器件執(zhí)行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在低功耗設(shè)計(jì)中選用 DSP 時(shí)應(yīng)考慮四大特性:
注意大容量片上存儲(chǔ)器；選擇可更好控制外設(shè)的 DSP,因?yàn)檫@可直接進(jìn)一步降低功耗；選擇具有多種待機(jī)狀態(tài)的 DSP；選擇可提供專門開發(fā)軟件的 DSP,實(shí)現(xiàn)電源的優(yōu)化利用并最大限度地降低功耗。盡管固定功能器件可用于管理處理器電源,但固定功能器件的功能比較單一,不能支持其它功能,特別是在不需要主處理器時(shí),不能夠?qū)⑵潢P(guān)閉。利用小型低功耗 MCU 取代固定功能器件,在實(shí)現(xiàn)對(duì)主處理器進(jìn)行電源管理的同時(shí),還可執(zhí)行排序、監(jiān)控以及系統(tǒng)級(jí)監(jiān)控等功能。
再返回到第二個(gè)要求,MCU 本身就是低功耗器件,這也是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在選擇 MCU 作為監(jiān)控處理器時(shí)必須考慮的問(wèn)題。工藝技術(shù)與工作電壓當(dāng)然至關(guān)重要,不過(guò),MCU 架構(gòu)的重要性也不容忽視。在許多方面,MCU 的電源優(yōu)化原則與 SoC 或 DSP 都是通用的。
例如,MCU 應(yīng)提供以下功能:
容量足夠大的片上存儲(chǔ)器,以實(shí)現(xiàn)大幅減少或徹底消除片外數(shù)據(jù)存取；集成模擬塊,避免模擬性能受影響；可打開與關(guān)閉其外設(shè)；在只是來(lái)回移動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)支持 DMA 功能。DMA 功能非常重要,因?yàn)榇蟛糠帜芰慷际窃?MCU 僅收集 ADC 樣片或移動(dòng)數(shù)據(jù)時(shí)浪費(fèi)的。DMA 使 ADC 可將數(shù)據(jù)樣片直接存儲(chǔ)至存儲(chǔ)器,這樣 MCU 在執(zhí)行所需大量樣片之前就可一直處于待機(jī)狀態(tài)。隨后,MCU 可喚醒并處理樣片,然后再盡快返回待機(jī)狀態(tài)。
TI 最新 MSP430F5xx MCU 系列等低功耗 MCU 具備一種全新的創(chuàng)新技術(shù),可根據(jù)處理負(fù)載動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)內(nèi)核電壓與時(shí)鐘速度。如前所述,MCU 功率與電壓的平方成正比,而最大 MCU 時(shí)鐘速度則與內(nèi)核電壓成正比。在處理負(fù)載高低不同時(shí),用戶可在運(yùn)行中調(diào)整時(shí)鐘速度與內(nèi)核電壓,從而優(yōu)化 MCU 電源。
SoC、DSP 及其電源之間的互動(dòng)對(duì)功耗與系統(tǒng)性能都是一個(gè)至關(guān)重要的系統(tǒng)級(jí)問(wèn)題。供電太大,就會(huì)浪費(fèi)能源；而供電不足,則會(huì)影響性能。
明確電源供電的大小,使其剛好滿足較大 IC 需求,就得詳細(xì)了解 DSP 在最大電壓上的最大負(fù)載。不過(guò),通常我們只能在 DSP 設(shè)計(jì)工作的最后階段才能掌握到這種信息。
此外,上電與斷電排序還需要精確的協(xié)作。由于 SoC 與 DSP 通常采用多個(gè)電源軌,必須根據(jù)特定排序供電,因此電源必須能夠在較大芯片所允許的時(shí)間范圍內(nèi)對(duì)狀態(tài)變化做出響應(yīng)。多次嘗試不同的上電排序?qū)⒕蜁?huì)浪費(fèi)電源,并影響性能。
電源管理 IC 和相關(guān)組件可通過(guò)工藝技術(shù)改善實(shí)現(xiàn)更低的功耗,降低功耗的工作模式使電源管理 IC 本身的損耗更低。例如,工藝技術(shù)的提高可實(shí)現(xiàn)更低功耗的開關(guān)電阻,更少的門電容以及更低的漏電流,從而分別降低了 I2R 損耗、開關(guān)損耗以及偏壓／靜態(tài)電流。再如,上述各種技術(shù)發(fā)展可用于降低 TI 最新低功耗 DSP 與應(yīng)用處理器的功耗,這種新產(chǎn)品的功耗僅是前代器件的三分之一。此外,大多數(shù)新型電源 IC 都具備省電模式,在輸出電壓開始下降時(shí)僅打開脈寬調(diào)制器 (PWM) 開關(guān),不用連續(xù)開關(guān),從而可降低開關(guān)損耗,如下列給出的 TPS62290 效率曲線所示,這是一款采用 2 毫米 x 2 毫米 QFN封裝的1 A 降壓轉(zhuǎn)換器。
圖2:高效省電模式與強(qiáng)制 PWM 模式的輸出電流比較。
多種技術(shù)良好協(xié)作
隨著新一代電源效率技術(shù)的發(fā)展,技術(shù)更趨成熟,更多要依靠不同 IC 之間的協(xié)作。這一趨勢(shì)提出了兩大問(wèn)題,一是所支持的芯片真的能夠最高效地與 DSP 或 SoC 進(jìn)行通信嗎？二是芯片間通信會(huì)不會(huì)影響系統(tǒng)性能？
我們從目前技術(shù)發(fā)展的態(tài)勢(shì)可以看出,下一代節(jié)電技術(shù)需要將不同領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)行高度整合。除了超前的芯片技術(shù)之外,統(tǒng)一系統(tǒng)級(jí)電源管理途徑正變得日益重要,因而,DSP、SoC、MCU 以及模擬電源管理的設(shè)計(jì)人員之間的公開交流協(xié)作也是至關(guān)重要的。
此外,半導(dǎo)體公司必須想辦法使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員充分利用芯片內(nèi)置的成熟技術(shù),否則就不能使系統(tǒng)充分發(fā)揮各種節(jié)能潛力。
TI 針對(duì)特定設(shè)計(jì)環(huán)境下特定芯片的電源性能折中平衡問(wèn)題推出了專門應(yīng)用手冊(cè),有關(guān)信息采用數(shù)據(jù)手冊(cè)形式顯示。與此同時(shí),當(dāng)半導(dǎo)體公司為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員推出有助于設(shè)計(jì)人員明確電壓與頻率安全調(diào)節(jié)的上下限的工具時(shí),Smart Reflex 等技術(shù)也變得極為有用了。更不用提在應(yīng)用執(zhí)行中自動(dòng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電源管理選項(xiàng)所需的軟件設(shè)計(jì)與支持。
為系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員提供可幫助他們調(diào)節(jié)不同 IC 內(nèi)置的電源管理按鈕的工具,實(shí)現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng),這是實(shí)現(xiàn)下一代電源效率的重要步驟。
從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度來(lái)說(shuō),這還要求各組件可在更高級(jí)的技術(shù)水平上緊密協(xié)作,而這種協(xié)作可在 SoC 或 DSP 的設(shè)計(jì)階段就開始。模擬、MCU 以及電源的設(shè)計(jì)人員可為 SoC 或 DSP 設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)提供重要的幫助。
參考
如欲了解關(guān)于當(dāng)前和未來(lái)電源解決方案的更多信息,敬請(qǐng)?jiān)L問(wèn) 和。
關(guān)于作者
Leon Adams 是德州儀器的 DSP 戰(zhàn)略市場(chǎng)營(yíng)銷經(jīng)理,負(fù)責(zé)管理 TI 的 DSP 產(chǎn)品規(guī)劃、定位、定格、客戶服務(wù)以及市場(chǎng)以及競(jìng)爭(zhēng)評(píng)估等。他為 TI DSP 推出 eXpressDSP軟件技術(shù)與三個(gè)指令集架構(gòu) (ISA) 平臺(tái)的戰(zhàn)略發(fā)揮了重要作用。
Kevin Belnap是德州儀器 MSP430 超低功耗微控制器部的產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理,負(fù)責(zé)管理全球市場(chǎng)營(yíng)銷活動(dòng),包括營(yíng)業(yè)收入、客戶服務(wù)(customer engagements)、市場(chǎng)開發(fā)與公關(guān)等。
Jeff Falin 是德州儀器便攜式應(yīng)用部的高性能模擬工廠應(yīng)用工程師,他主要為多種消費(fèi)類電子產(chǎn)品(從手機(jī)至液晶電視)的線性穩(wěn)壓器與高效開關(guān)電源 IC 提供客戶應(yīng)用支持。
