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为何要注意电源管理?
电源管理基于许多因素,已成为越来越重要的课题。提高电池续航力,并设法在产品中加入更多功能,一直是行动手持嵌入式系统所面临的严峻考验。电池化学材料科技的进步速度过慢,无法及时满足业者需求,因此硅组件厂商想纾解眼前的压力,就必须在更低功耗下达到更高效能。
另一方面,持续缩短的研发周期,促使业者必须因应上市时程的要求,因此必须在更低功耗下提供高弹性且可编程的组件。此外,环保的趋势要求厂商减少电池废弃物,使得嵌入式系统必须减少电池更换的次数。另一方面还有政府的管制规范(像是能源之星),这些全球适用的标准其目的是要降低设备在待机时消耗的电流。新一代的嵌入式系统仅需要极低的作业与睡眠模式耗电,同时能提高弹性与可编程能力,以因应上市时程的要求。
除了降低消耗电流外,业者还须降低系统电压。在几年前,最低运作电压的标准是3.3伏特。如今标准已降至1.8伏特。顺着这个趋势,未来的装置必定会采用低于1伏特的电压。这将让业者未来运用SoC开发出的产品,仅需一颗三号或四号电池就能运作(电池电力耗尽时的电压约为0.9伏特)。虽然一些采用SoC的设计,目前能在1.8伏特的电压下运作,但模拟组件的效能在这么低的电压下经常会有效能衰退的问题。
对于需要理想模拟效能的手持电池供电装置而言,系统若能在低于1伏特的电压下运作,并且仍满足模拟组件的效能需求,通常就能转移至单颗三号或四号电池的设计。这不仅让消费者减少成本,亦减少电池的消耗数量。
如何在低于1伏特的电压下运作?
当嵌入式SoC组件内建一个升压式转换器,能把输入电压(例如0.9伏特的输入电压)转换成更高的系统电压(例如3.3伏特),就能在低于1伏特的电压下运作。在这种模式下,须注意升压式转换器产生的噪声不能影响到模拟周边组件的效能。图一显示Cypress的PSoC 3可编程系统单芯片内的整合式升压转换器,其系统层级的链接。
《图一 系统层级的链接设计,用来将外部低电压转换成更高的内部电压》 - BigPic:716x550
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采用一个能接受低于1伏特电压的整合式升压转换器,能得到以下好处:
(1)系统仅需一颗三号电池或四号电池就能运作
(2)即使电源的电压变动,仍能保证提供最低系统电压
(3)能使用升压后的输出电压,让系统中其他需要更高电压的电路能顺利运行。例如液晶屏幕的玻璃面板、传感器电路等。
更广的电源电压范围
在更广的电源电压范围下,从1.8伏特(从0.9伏特经过升压转换)至5.5伏特,能为用户提供最高的弹性,这是因为:
(1)能涵盖标准的电池电压范围,包括各种最常见的电池,一直持续到电池寿命结束为止,如表一所示。
(2)兼容于旧系统所使用的3.3伏特与5伏特。
(3)高耗尽电压5.5伏特,提供5伏特以上的余裕空间,让用户能针对旧系统进行全范围(rail-to-rail)的讯号量测。
(表一) 一般通用电池标准电池电压范围
电池种类 |
电池刚启用时的电压 |
电池电力耗尽时的电压 |
单颗三号电池/四号电池 |
1.5V |
0.9V |
两颗三号电池/四号电池 |
3.0V |
1.8V |
CR2032 钮扣电池 |
3.0V |
2.0V |
在面临范围较广的外部电压时,想让硅组件维持稳定的低核心电压,可在组件内运用内建式低压差稳压器。针对数字与模拟组件分别配置不同的内部稳压器,可确保不会因子位件电压所产生的噪声,而导致模拟组件的效能衰减。图二显示系统层级的链接,以及内部稳压器,面对的是较大的电压范围。
《图二 内部稳压器的系统层级链接》 - BigPic:999x943
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在图二中,Vddd与Vdda的范围为1.71伏特到5.5伏特,内建的模拟与数字稳压器,确保核心继续在稳定的低电压下运作。在妥善的设计下,此系统亦能确保在整个电压范围内,模拟组件的效能可维持一致。
为I/O插槽提供独立的电源
为提供系统中其他需要不同系统电压的组件链接接口,SoC需另一个I/O电源,能单独设定成大电压范围内的任何伏特值。一个SoC拥有4个I/O链接插槽,每个I/O插槽可使用1.8伏特至5伏特范围内的任何电压来驱动,故能紧密链接至印刷电路板上其他组件,如图三所示。
《图三 每个I/O插槽各自独立的电源电压,针对其他使用不同电压的组件,提供紧密链接的接口》 |
弹性电源模式
业界仍存在可编程系统耗电过高的迷思,然而许多审慎规划的可编程SoC,其世界级的功耗数据足以媲美独立型微控制器。考虑顾客的应用后,本文把适合的耗电模式以及其耗电数据整理成表二。
(表二) 耗电模式及耗电数据
耗电模式 |
描述 |
耗用电流 (mA) |
唤醒的来源 |
一般工作模式 |
主要的运作模式,所有周边组件都可用(可编程)。可关闭特定周边组件的供电。 |
CPU以6MHz频率运作时为1.2mA(关闭周边组件的供电) |
- |
特殊作业模式(Alternate Active) |
类似一般工作模式,通常会减少供电周边组件的数量,藉以降低功耗。其中一种可行的组态,是关闭CPU与快闪组件的供电,并让周边组件以全速模式运作 |
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- |
待命睡眠模式(Sleep) |
所有子系统自动关闭。实时频率仍维持启动 |
1μA |
GPIO、I2C、RTC、睡眠模式定时器、比较器 |
休眠模式(Hibernate) |
所有子系统均自动关闭。是最低功耗的模式,所有周边组件与内部稳压器都关闭。组态设定与内存的内容仍会被保留。 |
200nA |
GPIO |
当用户启用系统时,系统的正常运作模式就是表二中的作业模式。在这种模式中,可藉由一个可编程SoC来选择要关闭哪些周边组件。
在特殊作业模式中,可选择启用较少的周边组件。系统可从正常作业模式切换到这种耗电较低的特殊作业模式。当离开这种模式时,系统会回复到正常的作业模式。举一个例子,一个有屏幕的嵌入式系统,关闭屏幕电源时,还是能单独运作。当屏幕需要关闭时,系统会进入特殊作业模式,并关闭屏幕显示周边组件电源。
在使用电池的嵌入式系统方面,睡眠模式是一种常用的模式。在这种耗电极低的模式下,所有周边组件都切换至低功耗状态,实时频率则维持运作。对于在作业与睡眠模式下需要维持作业的系统,亦可采用这种模式。举一个实例,一个温度传感器需要每分钟更新其量测数据。系统每一分钟会被唤醒一次,撷取数据后又切换回睡眠模式,结果就是降低平均功耗。
休眠模式是功耗最低的组件运作模式,内存内储存的内容以及组态数据都能继续保存。透过I/O来源来唤醒系统的功能,让用户或是系统中另一个组件都能唤醒系统。休眠模式亦可取代掌上型装置的电源开关(按下任何一个按钮都可启动该装置)。
结语
可编程SoC(PSoC)不仅具备极高的整合度,还让用户能运用可组态与可编程的系统,自行建构客制化的周边组件。细心设计可编程SoC,能得到电源管理功能,不仅具备媲美微控制器的耗电数据,还提供一个可组态的电源管理系统,亦能提供精准的模拟效能。
---作者为赛普拉斯半导体工程经理---
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