动态电源管理是调节移动终端中存在的一个或多个处理器内核的工作电压和频率,因为系统通常配备一块高度集成的、基于 PowerPC、ARM 和 x86DSP 或智能基带处理器。 系统功耗产生的原因与电阻上消耗的功率、有源器件的开关转换阶段以及集成电路内部和外部电容的充放电有关。另外,系统的性能指标、负载能力、被处理信号的工作频率、电路的工作频率、电源的管理水平、零部件的性能、散热条件、接口的物理性能等都对系统功耗起着重要的作用。
目前绝大多数的处理器是用CMOS 工艺制造的。而CMOS电路的总功耗是动态功耗与静态功耗之和,当电路工作或逻辑状态转换时会产生动态功耗,未发生转换时晶体管漏电流会造成静态功耗:
式中C为电容,为开关频率,为电源电压,为漏电流。为动态功耗,为静态功耗。在电源管理设计实现中,重点是动态功耗。从式中可以看出:降低电压对功耗的贡献是2次方的;降低时钟也可降低功耗,但它同时也降低性能,延长同一任务的执行时间。所以,选择满足性能所需的最低时钟频率,在时钟频率和各种系统部件运行电压要求范围内,设定最低的电源电压,将会大量减少系统功耗。基于这种思想的电源管理方法如图2所示,它能动态的改变CPU时钟,降低处理器的时钟频率。
图2 动态电源管理方法
LP3970的电源管理特性
本系统中使用了美国国家半导体(NS)产品系列中的LP3970,它可作为单独的IC使用或用作整个平台解决方案的一个组成部分,它具有的超低电流模式技术和超低的电流干扰(见图3 )。LP3970将多个系统整合到一个设备中,大量系统级模块的整合协作简化了设计流程,同时能在极具竞争力的价位上提供高精密度的产品。
图3 超低电流特性
NS的多功能电源管理单元LP3970 内置了11个低压降低噪音的线性稳压器,其中8颗负责驱动数字负载,而另外3颗负责驱动模拟负载,LP3970还有2个电感式DC/DC降压稳压器、1个后备电池充电器及4个通用输出,可为应用处理器提供稳压供电。通过I2C 接口,嵌入式处理器可以对LP3970进行数字控制,根据负载情况动态调节电源电压来节省功耗。
结语
本文讨论了采用新型的电源管理系统,通过使用动态电源管理和使用具有超低电流特性器件,并在必要时将部分移动终端置于低功耗待机模式,可极大地降低功耗。同时采用兼顾系统整体需要的设计,电源不再像以往一样只是电子产品内的一个独立运作的子系统。利用该电源管理系统,可显著延长采用移动终端的电池使用时间,从而在不影响高性能应用的情况下,大大延长其待机时间。