集成知識是電源技術(shù)的發(fā)展趨勢
作者:Leon Adams、Kevin Belnap 與 Jeff Falin
低功耗技術(shù)隨著向新一代演進(jìn)的步伐而變得更為復(fù)雜,也日益依賴于IC 之間的交互性。下一代低功耗技術(shù)需要大量學(xué)院知識的整合 (institutional knowledge integration)。
對電源管理與不斷發(fā)展的芯片技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)級的全面審視顯得越發(fā)重要,而這也凸顯了在DSP、SoC、MCU 與模擬電源管理設(shè)計(jì)人員之間進(jìn)行開放式對話與協(xié)作的需求。
此外,半導(dǎo)體公司必須想方設(shè)法使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠充分發(fā)揮內(nèi)置于芯片的尖端技術(shù)優(yōu)勢。否則,系統(tǒng)的節(jié)能潛力將得不到充分的發(fā)揮。
從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度來看,組件需以極高的復(fù)雜性協(xié)同運(yùn)行,而且這種配合應(yīng)當(dāng)早在SoC 或DSP的設(shè)計(jì)階段就開始。模擬、MCU 和電源設(shè)計(jì)人員能夠?yàn)镾oC或DSP設(shè)計(jì)小組提供極為寶貴的資料。
盡管產(chǎn)品特性日益豐富,消費(fèi)者的預(yù)期也越來越高,但用更少功耗實(shí)現(xiàn)更高性能的需求卻始終未變。通過將高效與智能相結(jié)合,半導(dǎo)體技術(shù)在節(jié)能領(lǐng)域中正扮演著極為關(guān)鍵的角色。在芯片和將用于日常用品的系統(tǒng)設(shè)計(jì)中加入節(jié)能特性,將使這些產(chǎn)品更加高效,也將幫助消費(fèi)者更好地承擔(dān)節(jié)能環(huán)保義務(wù)。
工藝節(jié)點(diǎn)從90納米向65納米、乃至45納米的發(fā)展使芯片功耗不斷降低,這主要是由于高密度芯片的工作電壓較低,而功率與電壓的平方成正比。然而,這也會帶來權(quán)衡折衷,因?yàn)楦呒壒に嚨母綦x層越薄,某個靜態(tài)電路的漏電流就越大。
為了在 DSP、應(yīng)用處理器或片上系統(tǒng) (SoC) 不增加功能值的情況下控制有功電流的功率損失,IC 設(shè)計(jì)人員發(fā)明了門控時鐘等技術(shù),可在芯片某些部分沒有被使用的情況下將其關(guān)閉。
在系統(tǒng)不使用芯片時還可將其全部關(guān)閉,從而實(shí)現(xiàn)更為顯著的節(jié)電效果。這種方法盡管效率很高,但有時需要采用極低功耗的 MCU 進(jìn)行調(diào)節(jié)。此外,全部關(guān)閉芯片的做法還要求在MCU與SoC間有極為緊密的聯(lián)接 (linkage),確保在系統(tǒng)需要開啟較大芯片時這種聯(lián)接能即時發(fā)揮作用,使SoC被迅速喚醒。
盡管這些技術(shù)仍在發(fā)揮重要作用,但若在此基礎(chǔ)上做更多細(xì)微的變化,則還能進(jìn)一步提高節(jié)能性。例如,TI的Smart Reflex技術(shù)充分利用了工藝范圍 (process corner) 各種變化優(yōu)勢,可監(jiān)控器件在硅芯片接點(diǎn) (silicon junction) 處的工作情況、操作模式以及溫度。有關(guān)數(shù)據(jù)使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員能夠通過動態(tài)調(diào)節(jié)電壓與頻率,較大限度地降低功耗。此外,Smart Reflex 技術(shù)還可調(diào)整多核芯片的用電,以降低芯片級功耗。
芯片間協(xié)作
盡管DSP與SoC在節(jié)電方面取得了長足發(fā)展,但從定義上說,它們本身仍是門數(shù)較高的器件。根據(jù)占空比的不同,有時如果將某些功能轉(zhuǎn)移至片外,比如用低功耗MCU作為系統(tǒng)監(jiān)控器的做法可能更省電。不過,這樣做必須滿足兩個條件:一是芯片間的通信必須快速、可靠與高效;二是MCU必須以極低的功耗運(yùn)行,且支持快速喚醒與關(guān)斷。
有的系統(tǒng)需要一些必須始終工作的簡單功能,如果這些功能不是由門數(shù)較多的SoC或DSP,而是由配合DSP工作的MCU完成,則通?蓪(shí)現(xiàn)更低的功耗。其它這樣的系統(tǒng)或監(jiān)控功能還包括:
- 電源監(jiān)控與復(fù)位
- 電源排序
- 實(shí)時時鐘保持
- 人機(jī)接口管理
- 電池管理
- 顯示器管理
DSP 通常采用多個電源軌,必須上電排序才能正常工作。從系統(tǒng)級講,電源監(jiān)控、復(fù)位監(jiān)控以及電源排序等都是非;镜谋O(jiān)控功能,這些功能往往通過固定功能器件執(zhí)行。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在低功耗設(shè)計(jì)中選用DSP時應(yīng)考慮四大特性:
- 尋求大容量片上存儲器。
- 選擇可更好控制外設(shè)的DSP,因?yàn)檫@樣可直接進(jìn)一步降低功耗。
- 選擇可提供多種待機(jī)狀態(tài)的 DSP。
- 選擇可提供專門開發(fā)軟件,尤其是為優(yōu)化電源利用并較大限度降低功耗而設(shè)計(jì)的 DSP。
除了用于管理處理器電源,這些固定功能器件對系統(tǒng)的用途有限,特別是在無需主處理器工作時卻不能將其關(guān)閉。利用小型低功耗 MCU 替代此類器件,在實(shí)現(xiàn)對主處理器電源管理的同時,還可執(zhí)行排序、監(jiān)控以及系統(tǒng)級管理等功能。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在選擇用作處理器監(jiān)控的MCU時,必須考慮工藝技術(shù)與工作電壓,但MCU架構(gòu)的重要性也不容忽視。在許多方面,MCU 的電源優(yōu)化原則與SoC或DSP都是通用的。
例如,MCU 應(yīng)提供以下功能:
- 容量足夠大的片上存儲器,以顯著降低或徹底消除片外數(shù)據(jù)存取。
- 集成模擬塊,避免模擬性能受影響。
- 可打開與關(guān)閉其自身外設(shè)。
- 在只是來回移動數(shù)據(jù)時支持 DMA 功能。
DMA功能尤為重要,因?yàn)楫?dāng)MCU只采集ADC樣片或傳輸數(shù)據(jù)時的功耗相當(dāng)大。DMA使ADC能將數(shù)據(jù)樣片直接保存至存儲器,從而使 MCU 進(jìn)入待機(jī)狀態(tài),直至采集到所需樣片的數(shù)量為止。隨后MCU會被喚醒以處理樣片,然后再盡快恢復(fù)待機(jī)狀態(tài)。
TI較新一代的MSP430F5xx MCU系列等低功耗MCU具備一種全新的創(chuàng)新技術(shù),可根據(jù)處理負(fù)載實(shí)現(xiàn)動態(tài)調(diào)節(jié)內(nèi)核電壓與時鐘速度。如前所述,MCU 功率與電壓平方成正比,MCU時鐘速度的較大值也與內(nèi)核電壓成正比。當(dāng)處理負(fù)載高低不同時,用戶可在運(yùn)行中調(diào)節(jié)時鐘速度與內(nèi)核電壓,從而優(yōu)化MCU電源。
對功耗與系統(tǒng)性能而言,SoC、DSP及其電源之間的互動是至關(guān)重要的系統(tǒng)級問題。供電量太大會浪費(fèi)能源;若供電不足,性能則會降低。
要想確定可滿足較大IC需求的電源大小,就要對DSP在較高電壓時的較大負(fù)載有深入了解。不過,在DSP設(shè)計(jì)前期往往無法獲得這方面的信息。
此外,上電與斷電排序還需要精確的協(xié)作。由于SoC與DSP一般采用多個電源軌,必須根據(jù)特定排序供電,因此電源必須在較大芯片所要求的時間范圍內(nèi)對狀態(tài)變化作出響應(yīng)。多次嘗試將會浪費(fèi)電源,并降低性能。
功耗更低的工作模式可降低電源管理IC本身的損耗,而借助這種工作模式和改進(jìn)后的工藝技術(shù),電源管理IC及相關(guān)組件的效率可獲得進(jìn)一步提升。例如,工藝技術(shù)的改進(jìn)可實(shí)現(xiàn)更低功耗的開關(guān)電阻、更少的門電容和更低的泄漏電流,從而可分別降低I2R 損耗、開關(guān)損耗以及偏壓/靜態(tài)電流。上述各種技術(shù)發(fā)展已經(jīng)用于TI較新低功耗DSP與應(yīng)用處理器,可將功耗降至前代器件的三分之一。
關(guān)于作者
Leon Adams,德州儀器DSP戰(zhàn)略市場營銷經(jīng)理,負(fù)責(zé)管理TI的DSP產(chǎn)品發(fā)展規(guī)劃。
Kevin Belnap,TI MSP430超低功率微控制器產(chǎn)品部產(chǎn)品營銷經(jīng)理。
Jeff Falin,TI便攜式電源應(yīng)用產(chǎn)品部的高性能模擬工廠應(yīng)用工程師。
相關(guān)閱讀:
- ...2011/05/23 13:50·集成知識是電源技術(shù)的發(fā)展趨勢
- ...2009/05/08 16:27·集成知識是電源技術(shù)的發(fā)展趨勢
- ...· “芯創(chuàng)杯”首屆高校未來汽車人機(jī)交互設(shè)計(jì)大賽報名正式啟動
- ...· 探秘第二屆衛(wèi)藍(lán)山鷹“創(chuàng)新·共享”試驗(yàn)技術(shù)論壇!
- ...· “2018中國半導(dǎo)體生態(tài)鏈大會”在江蘇省盱眙舉行
- ...· 新主題新規(guī)劃,CITE 2019瞭望智慧未來
- ...· 從汽車到工廠,TI毫米波傳感器致力于創(chuàng)造更智能的世界
- ...· 意法半導(dǎo)體(ST)、Cinemo和Valens在CES 2018展上聯(lián)合演示汽車信息娛樂解決方案
- ...· 北京集成電路產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新發(fā)展高峰論壇即將在京召開
- ...· 三菱電機(jī)強(qiáng)勢出擊PCIM亞洲2017展
- ...· GPGPU國產(chǎn)替代:中國芯片產(chǎn)業(yè)的空白地帶
- ...· 物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中Wi-Fi連接的四個關(guān)鍵因素
- ...· 第三屆中國MEMS智能傳感器產(chǎn)業(yè)發(fā)展大會即將于蚌埠拉開帷幕
- ...· IAIC專項(xiàng)賽演繹“中國芯“應(yīng)用創(chuàng)新,信息安全高峰論壇亮劍海寧
- ...· 智能控制有源鉗位反激
- ...· 解讀5G毫米波OTA 測試技術(shù)
- ...· 多個市場高速增長推動Molex加強(qiáng)汽車領(lǐng)域的發(fā)展
- ...· 中國綠色制造聯(lián)盟成立大會召開在即 政產(chǎn)學(xué)研用共探綠色發(fā)展新模式
- ...· Efinix® 全力驅(qū)動AI邊緣計(jì)算,成功推出Trion™ T20 FPGA樣品, 同時將產(chǎn)品擴(kuò)展到二十萬邏輯單元的T200 FPGA
- ...· 英飛凌亮相進(jìn)博會,引領(lǐng)智慧新生活
- ...· 三電產(chǎn)品開發(fā)及測試研討會北汽新能源專場成功舉行
- ...· Manz亞智科技跨入半導(dǎo)體領(lǐng)域 為面板級扇出型封裝提供化學(xué)濕制程、涂布及激光應(yīng)用等生產(chǎn)設(shè)備解決方案
- ...· 中電瑞華BITRODE動力電池測試系統(tǒng)順利交付北汽新能源
- ...· 中電瑞華FTF系列電池測試系統(tǒng)中標(biāo)北京新能源汽車股份有限公司
- ...· 中電瑞華大功率高壓能源反饋式負(fù)載系統(tǒng)成功交付中電熊貓
- ...· 中電瑞華國際在電動汽車及關(guān)鍵部件測評研討會上演繹先進(jìn)測評技術(shù)
- ...· 數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)設(shè)備
- ...· 簡儀科技踏上新征程
- ...· 易靈思® 宣布 AEC-Q100 資質(zhì)認(rèn)證和汽車系列產(chǎn)品計(jì)劃
- ...· 易靈思® 宣布擴(kuò)充高性能 鈦金系列™ FPGA 產(chǎn)品 鈦金系列產(chǎn)品擴(kuò)充至包含 1M 邏輯單元的 FPGA
- ...· 易靈思® 宣布Trion® Titanium 在臺積電 (TSMC) 16納米工藝節(jié)點(diǎn)流片
- ...· TI杯2019年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽頒獎典禮在京舉行
- ...· BlackBerry QNX虛擬機(jī)獲得全球首個汽車安全完整性等級(ASIL) ‘D’認(rèn)證
- ...· 威馬汽車選擇BlackBerry助力下一代汽車