電源管理基於許多因素，已成為越來越重要的課題。提高電池續航力，並設法在產品中加入更多功能，一直是行動手持嵌入式系統所面臨的嚴峻考驗。電池化學材料科技的進步速度過慢，無法及時滿足業者需求，因此矽元件廠商想紓解眼前的壓力，就必須在更低功耗下達到更高效能。

另一方面，持續縮短的研發週期，促使業者必須因應上市時程的要求，因此必須在更低功耗下提供高彈性且可編程的元件。此外，環保的趨勢要求廠商減少電池廢棄物，使得嵌入式系統必須減少電池更換的次數。另一方面還有政府的管制規範（像是能源之星），這些全球適用的標準其目的是要降低設備在待機時消耗的電流。新一代的嵌入式系統僅需要極低的作業與睡眠模式耗電，同時能提高彈性與可編程能力，以因應上市時程的要求。

除了降低消耗電流外，業者還須降低系統電壓。在幾年前，最低運作電壓的標準是3.3伏特。如今標準已降至1.8伏特。順著這個趨勢，未來的裝置必定會採用低於1伏特的電壓。這將讓業者未來運用SoC開發出的產品，僅需一顆三號或四號電池就能運作（電池電力耗盡時的電壓約為0.9伏特）。雖然一些採用SoC的設計，目前能在1.8伏特的電壓下運作，但類比元件的效能在這麼低的電壓下經常會有效能衰退的問題。

對於需要理想類比效能的手持電池供電裝置而言，系統若能在低於1伏特的電壓下運作，並且仍滿足類比元件的效能需求，通常就能轉移至單顆三號或四號電池的設計。這不僅讓消費者減少成本，亦減少電池的消耗數量。

如何在低於1伏特的電壓下運作？

當嵌入式SoC元件內建一個升壓式轉換器，能把輸入電壓（例如0.9伏特的輸入電壓）轉換成更高的系統電壓（例如3.3伏特），就能在低於1伏特的電壓下運作。在這種模式下，須注意升壓式轉換器產生的雜訊不能影響到類比周邊元件的效能。圖一顯示Cypress的PSoC 3可編程系統單晶片內的整合式升壓轉換器，其系統層級的連結。

《圖一　系統層級的連結設計，用來將外部低電壓轉換成更高的內部電壓》 - BigPic:716x550

採用一個能接受低於1伏特電壓的整合式升壓轉換器，能得到以下好處：

• (1)系統僅需一顆三號電池或四號電池就能運作





• (2)即使電源的電壓變動，仍能保證提供最低系統電壓





• (3)能使用升壓後的輸出電壓，讓系統中其他需要更高電壓的電路能順利運行。例如液晶螢幕的玻璃面板、感測器電路等。

更廣的電源電壓範圍

在更廣的電源電壓範圍下，從1.8伏特（從0.9伏特經過升壓轉換）至5.5伏特，能為使用者提供最高的彈性，這是因為：

• (1)能涵蓋標準的電池電壓範圍，包括各種最常見的電池，一直持續到電池壽命結束為止，如表一所示。





• (2)相容於舊系統所使用的3.3伏特與5伏特。





• (3)高耗盡電壓5.5伏特，提供5伏特以上的餘裕空間，讓用戶能針對舊系統進行全範圍（rail-to-rail）的訊號量測。

在面臨範圍較廣的外部電壓時，想讓矽元件維持穩定的低核心電壓，可在元件內運用內建式低壓差穩壓器。針對數位與類比元件分別配置不同的內部穩壓器，可確保不會因數位元件電壓所產生的雜訊，而導致類比元件的效能衰減。圖二顯示系統層級的連結，以及內部穩壓器，面對的是較大的電壓範圍。

《圖二　內部穩壓器的系統層級連結》 - BigPic:999x943

在圖二中，Vddd與Vdda的範圍為1.71伏特到5.5伏特，內建的類比與數位穩壓器，確保核心繼續在穩定的低電壓下運作。在妥善的設計下，此系統亦能確保在整個電壓範圍內，類比元件的效能可維持一致。

為I/O插槽提供獨立的電源

為提供系統中其他需要不同系統電壓的元件連結介面，SoC需另一個I/O電源，能單獨設定成大電壓範圍內的任何伏特值。一個SoC擁有4個I/O連結插槽，每個I/O插槽可使用1.8伏特至5伏特範圍內的任何電壓來驅動，故能緊密連結至印刷電路板上其他元件，如圖三所示。

《圖三　每個I/O插槽各自獨立的電源電壓，針對其他使用不同電壓的元件，提供緊密連結的介面》

彈性電源模式

業界仍存在可編程系統耗電過高的迷思，然而許多審慎規劃的可編程SoC，其世界級的功耗數據足以媲美獨立型微控制器。考量顧客的應用後，本文把適合的耗電模式以及其耗電數據整理成表二。

當使用者啟用系統時，系統的正常運作模式就是表二中的作業模式。在這種模式中，可藉由一個可編程SoC來選擇要關閉哪些周邊元件。

在特殊作業模式中，可選擇啟用較少的周邊元件。系統可從正常作業模式切換到這種耗電較低的特殊作業模式。當離開這種模式時，系統會回復到正常的作業模式。舉一個例子，一個有螢幕的嵌入式系統，關閉螢幕電源時，還是能單獨運作。當螢幕需要關閉時，系統會進入特殊作業模式，並關閉螢幕顯示周邊元件電源。

在使用電池的嵌入式系統方面，睡眠模式是一種常用的模式。在這種耗電極低的模式下，所有周邊元件都切換至低功耗狀態，即時時脈則維持運作。對於在作業與睡眠模式下需要維持作業的系統，亦可採用這種模式。舉一個實例，一個溫度感測器需要每分鐘更新其量測數據。系統每一分鐘會被喚醒一次，擷取數據後又切換回睡眠模式，結果就是降低平均功耗。

休眠模式是功耗最低的元件運作模式，記憶體內儲存的內容以及組態資料都能繼續保存。透過I/O來源來喚醒系統的功能，讓使用者或是系統中另一個元件都能喚醒系統。休眠模式亦可取代掌上型裝置的電源開關（按下任何一個按鈕都可啟動該裝置）。

結論

可編程SoC（PSoC）不僅具備極高的整合度，還讓使用者能運用可組態與可編程的系統，自行建構客製化的周邊元件。細心設計可編程SoC，能得到電源管理功能，不僅具備媲美微控制器的耗電數據，還提供一個可組態的電源管理系統，亦能提供精準的類比效能。

---作者為賽普拉斯半導體工程經理---