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平板電腦基礎及系統架構
 

【作者: Ann Starks】   2015年01月23日 星期五

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在當今的移動社會中,消費者為滿足其需求,對可攜式電子產品越來越感興趣。消費者希望電子產品易於攜帶、重量輕、並提供過去只有個人電腦(PC)才能提供的功能等級。膝上型電腦的使用在減少,因為平板電腦在系統中整合了更多功能及特性。平板電腦重量輕,易於運輸及攜帶,而且它們基於應用的架構使其非常便於使用。隨著技術及處理器方面的進步,如今平板電腦能提供跟膝上型電腦相同的性能。


隨著平板電腦受歡迎程度持續提高,人們對更高性能及更長電池使用時間的需求也同樣提升,這也為設計人員帶來很有意思的挑戰。更高性能表示對電池的需求提升;因此,處理器、晶片組及所有電子元器件必須優化。盡可能獲得最高的能效,從而提供消費者所想要的電池使用時間。雖然電子產品已經大幅優化形狀因數及性能,但電池技術已經延滯。平板電腦印製電路板(PCB)空間極為有限,設備電池佔用大部分的可用形狀因數。目前正在進行研究,尋求新的方法來減小電池總體尺寸,同時維持相同的容量。雖然已經取得進步,但仍不足以用於商業使用。因此,高性能可攜式裝置的需求依賴於高效能系統架構的開發。


系統架構

平板系統架構跟傳統個人電腦不同;由於形狀因數及電路板空間方面的嚴格限制,核心晶片組經過重新設計及大幅度整合。通過結合軟體及整合晶片組,平板系統架構能夠提供足以與個人電腦相競爭的技術性能,同時尺寸符合手掌。


圖一顯示了平板電腦架構框圖;兩個主要晶片組分別是應用處理器及電源管理積體電路(PMIC),傳統個人電腦在主機板上擁有不同晶片組,用於儲存體、中央處理器(CPU)、圖形處理器(GPU)、硬碟磁碟機及其他週邊硬體。應用處理器將這些功能整合在單晶片中,它的設計旨在與各個子系統連接。這樣高的整合度大幅減小的晶片數量,並釋出電路板空間。



圖一 : 平板電腦系統
圖一 : 平板電腦系統


應用處理器與PMIC配合工作以監控、調節系統並操作系統。應用處理器使用ARM架構,提供以逐平臺基礎定制配置的靈活性。基於RISC的結構簡化了系統,要求的元件及處理器數量比傳統個人電腦更少,使用者介面包括I2C及USB OTG。晶片在較低電壓軌工作,以減少一些系統的功率損耗。


PMIC負責監控系統,作出電源管理決策,並與應用處理器連接。它為電池充電,包含建立不同電壓軌所需的電路,並提供過壓及過流保護。雖然用於設定電壓軌的MOSFET通常被整合在PMIC中,但周邊MOSFET仍常使被用,用於反向電壓保護、反向電流保護及電池開關。


反向電壓及反向電流保護對系統的健全至關重要;傳統上,背靠背MOSFET跟系統主電壓軌(如USB輸入)在一條線上,用於反向電壓保護、過流保護及反向電流保護。使用MOSFET提供兩項優勢:當MOSFET導通時提供極低的導電損耗和極小電壓降;當MOSFET關斷時提供本體二極體固有的阻斷功能。以背靠背的方式連接MOSFET,在MOSFET關斷時,提供雙向電流阻斷功能。如圖二所示,PMIC監測電壓及電流,當有需要時關斷MOSFET,以保護系統。雖然許多這樣的電路整合在PMIC中,因為所要求的電壓或電流緣故,背靠背MOSFET通常仍然是周邊元件。



圖二 :  用於保護電路的雙MOSFET配置。
圖二 : 用於保護電路的雙MOSFET配置。

外部電池開關用於將電池與系統其它部分連接及切斷連接;電池開關通常是PMOS小信號器件,設計用於採用低壓軌工作,提供低導通阻抗,以將開關的導電損耗及電壓降減至最小。當系統採用電池供電時,開關仍然導通;當設備連接至外部電源時,開關切斷連接。當開關切斷時,PMOS器件的內部本體二極體防止電池放電到電路中(漏電流)。因為系統較大的電流要求緣故,通常需要外部電池開關。


對於背靠背MOSFET及電池開關MOSFET而言,導通阻抗及占位面積都是優先考慮因素,從而將系統能效提升至最高,並將使用的電路板空間減至最小。安森美半導體提供封裝尺寸分別為2 mm x 2mm及1.6 mm x 1.6 mm的低導通阻抗MOSFET及電池開關MOSFET,包括NTLUD3A50PZ、NTLUS3C13PZ及NTLUS3C18PZ。


電源管理

隨著平板電腦越來越受歡迎,對更高性能及更長電池使用時間的需求也升高了。如果沒有採用得力的電源管理技術,電池使用時間就會大幅縮短。為了將性能及電池使用時間提升至最高水準,晶片設計人員竭力優化平板電腦設計的各個層面;其中包括優化處理器矽晶片、電氣元件及系統控制架構本身。電池形狀因數的限制已經導致需要創新的電源管理機制,以將能效提升到最高。其中的一些技術如下所示:


1.動態電壓及頻率調節(DVFS)─通過軟體調節電壓及頻率至準時完成每個處理器任何要求的最小值,降低每個任務期間的總能耗。


2.處理器內核之間的負載均衡─不需要滿額處理能力時,應用處理器關閉處理器中未使用的部分,並均衡負載,以將未充分利用的處理器內核的性能提升至最高。例如,如果內核1正在運行大多數處理任務,而內核2運行少部分任務,那麼負載均衡技術將內核2處理的任務移到內核1,使內核2能夠關閉。這就能在不需要時關閉不用的電壓軌及處理器內核,?明系統大幅省電。


3.關閉處理器閒置/未用部分─應用處理器矽晶片本身分為不同部分,每個部分都能夠被單獨導通或關閉,而主處理能力持續供給系統使用。這種矽片的功能劃分提供在沒有需要時關閉非關鍵區段的方式。多核處理器將額外的內核保持在睡眠模式或關閉,直到有需要時才再使用。


4.區分VCORE及邏輯電壓軌─應用處理器本身內部的電壓軌是分開的,能夠關掉未使用的電壓軌及電路,直到有需要時才再使用。


除了上述電源管理技術,在有可能的場合還能進行單獨的元器件進行省電。要選擇高性能的元件,如低能耗及包含內置電源管理的儲存體。還可以使用電平轉換器來向上及向下調節電壓。業界還在研究各種電池化學特性,以將電池容量提升至最大。


市場趨勢/平板電腦未來

隨著平板電腦繼續獲得發展動力,消費者渴求更大螢幕、更高性能及更纖薄形狀因數。業界還在研究各種電池化學特性,以優化電池設計本身。當前的平板電腦設計正在增加電池數量以實現更長的電池使用時間。隨著智慧手機受歡迎程度及需求的升高,低成本平板電腦如今面向更廣大的消費者群體。平板電腦市場已經分裂為兩個區隔,分別是低端及高端平板電腦。高端平板電腦將功能整合到高整合度的晶片組中,往往使用四核處理器。低端平板電腦使用更加分離的方案,使用的晶片組較大。平板電腦市場將繼續擴充,為積體電路晶片及分離元器件皆提供眾多商機。


(本文作者Ann Starks任職安森美半導體應用工程師)


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