便携式电源的工程学解决方案

便携式电源的工程学解决方案

便携式超声设备市场就是一个很好的例子。至今，超声波图像检查还是需要到诊所才可以完成。在大多数发达国家，这通常不是问题。然而在一些偏远的村镇，如果能够将设备直接运送到患者身边，将极大地改善当地的医疗环境。在设计移动设备时，对重量、尺寸和操作时间的权衡取舍是挑战性极强的工作。当常规功率转换效率超过90%时，许多工程师会选择重新设计威廉希尔官方网站 板，力求从不同的功能角度寻求更大的效率改进空间，从而降低整体功耗。

低果先摘

一般来说，寻找功率增益的机会应该从最明显或者最容易的地方入手。当功率转换效率介于60%～75%之间时，最大的功率增益首先来自于由线性稳压器向开关稳压器的转换，这将极大地提高系统的整体效率。如今，集成的高效开关稳压器已面市，工程师必须在功率转换之外寻求新的突破。

尺寸、重量、散热与成本都是移动市场的驱动因素，这些因素往往会对决策过程产生影响。目前，电池是系统中的薄弱环节，还无法跟上半导体工艺流程技术的发展速度。随着现代电源能效的不断提高，减少功率损耗的下一个机遇将来自于系统结构本身。最近几年，英特尔和其他CPU制造商逐渐意识到加快CPU的运行速度也许并不是提高性能的最好办法。他们面临的主要问题是处理器的发热量以及外围设备的动态要求。逐步迁移至多核架构，并且提供支持多核的操作系统，将能够实现更为明显的性能增益(同时降低功耗)。

就像CPU的供应商不再通过改变兆赫数字来改进性能一样，移动产品的设计者也应当重新审视相关功能的实现途径。模拟数字转换（ADC）就是这样一个开始在架构方面产生改变的领域。例如，美国国家半导体创造性地采用了集成折叠转换器，不仅极大地提高了运行速度（每秒千兆次采样），而且在运行过程中最大限度地降低了能源消耗。传统的闪存型转换器受到比较器最大集成数量的限制，一个闪存数模转换器中比较器的数量是输出位数的函数（2n位）。例如，一个10位闪存数模转换器将需要1 024个比较器，外加温度计码至格雷码至二进制的转换威廉希尔官方网站 和一个高精度统一梯形电阻分压器。

折叠转换器基于完全不同的设计方法，采用少量的比较器（通常为32～64个），并将输入信号范围进行“折叠”，使之始终处于比较器网络限值之内，如图1所示。此处的技巧是对由折叠过程引入的积分和差分非线性进行补偿。这样的结构代表了解决这种棘手问题的全新思路，并且极大地降低了实现这一功能所需的能源消耗。对于一个每秒千兆次采样的双10位转换器(PowerWise ADC10D1000)来说，这种方法可以将功耗从几十瓦降低至三瓦。这是在便携成像、雷达和软件无线电系统中普遍采用的节约功率的手段。



数字功率架构

在大型ASIC或者SoIC设计中，架构也同样重要。即使在缩减工艺流程的几何尺寸时，CMOS晶体管相关的动态和静态损失也是一个经常遇到的问题。CMOS的能源消耗公式如下：

E=(aCfCLKV2+VILEAK)×tTASK

其中包含了一个与频率相关的动态项和一个静态漏电流项。当工艺尺寸不断缩减时，这两项参数都会出现问题。电容负载和贯穿电流将会减小，但是芯片上的元件数量将会增加，由此造成了每个芯片上面更高的动态功率消耗。由次阈值漏电流、漏源扩展漏电流和电子隧穿引起的静态损失，以及漏极引发势垒下降（DIBL）等短沟道效应日益成为大型数字ASIC设计中的严重问题。

当设计大型数字系统时，必须在整个运行过程中正确地设定时序，包括供给电压、工序和温度波动。这样的设计瓶颈使得功率消耗处于最差的水平，即使在适当的温度或者更快的工序中也是如此，设备仍将消耗同样的能源。一种解决办法是改变设计结构，使其适应于设备的环境。自适应电压调节（AVS）正是实现此目的的一种技术。

AVS集成了一个数字子系统，可以监测设备的运行状况(它与应用数字逻辑同步)，动态调整芯片内部不同电压岛的供给电压。当性能要求发生变化时，芯片内部的AVS逻辑会向外部的功率管理装置发送更新信号，该装置称为能源管理单元EMU，功能是升高或者降低电压岛的供给电压。动态项是供给电压的平方函数，因此可以提供最大的增益改进。即使静态项只是供给电压的线性函数，漏电流的减小仍然可以显著地降低能耗。

出于尽可能节约能源的目的，设计结构再次显现出它的重要性。为了使AVS或者其他电压调整技术最大限度地发挥功效，系统设计者必须重新考虑功能区域的划分，提供彼此分离的电压岛和频率区间。如果已有的设计中利用一个单独的电压源向所有核心逻辑供电，那么新的低功率设计中就应采取多个电压岛，这里的时钟区间将成为动态要求的限制因素。而且，基于较慢时序的原因，这些电压岛可以利用电压调整技术或者简单地采用更低的核心电压。

人们对于便携性的需求越来越高，尤其是在医疗、通信和军事防卫领域。工程师需要考虑功率转换器之外的解决方案，以寻求更大的系统效率增益。从系统架构方面来看，有时采取创新的手段来实现某些功能——特别是当常规的功率转换器效率处于90%以上的水平时，往往可以带来巨大的效率改进。电源技术最终将赶上工艺流程和IC设计方面的技术进展，然而在工程师拥有更高的能源密度之前，系统效率依然是延长工作时间和降低热消耗的解决方案之一。