基于动态电源管理的移动终端设计

2万 · 2014-5-20 00:02

需求以及应用背景

　　目前的移动终端设备如手机、PDA、掌上电脑已广泛应用于消费、通信、工控、视频监控等多个领域，它们的电源管理设计是很大的挑战，因为在目前的移动终端上，它不仅要支持各种语音采集功能，还有长时间进行Web/WAP接入的需要，以及如视频监控的功能，这些功能会消耗大量的电能。因此，必须在电源管理上采用合适的方法，否则这种功能密集的设备在电池寿命上可能远远达不到用户的期望值。

　　由于便携式电池技术在近期较难出现较大的突破，所以在系统设计中可以采用一些设计技巧来降低系统功耗，如优化系统和CPU时钟频率，避免上电过程中的大电流脉冲;有效地管理系统电池运转，有效地管理系统设备的工作模式，尽可能降低总线活动，降低总线电容，降低转换噪声等。

　　系统解决方案

　　系统架构与集成

　　电源管理是整个移动终端系统的基础，这部分的稳定工作对整个系统的稳定工作起着至关重要的作用。解决高性能与低功耗对立矛盾的方法之一是让处理器根据当前的工作负荷运行在不同的性能水平上。例如，播放MPEG视频比播放MP3音频需要更高的性能。因此，处理器播放MP3时可以运行在更低的频率下，但仍能获得高质量的精确回放效果。降低功耗是每个便携式产品开发人员的设计目标之一，但功耗不仅仅与硬件设计有关，控制软件也会对产品的功耗产生很大影响。不管是操作系统、BIOS控制程序还是外设驱动程序，这些软件编写的方式决定了最终产品的功耗水平，因此在开发时必须加以考虑。

2万 · 2014-5-20 00:03

　目前的高速移动终端大都增加了视频监控及显示模块，其输入/输出装置都采用粗大的高速并行接口作为互连线路，连接基带处理器、应用程序处理器及影像处理器。因此，可以采用串行接口缩小产品体积，精简机械设计，降低系统功率，减少电磁干扰，并削减系统成本。本移动终端系统及其电源管理模式如图1所示，它整合了模拟基带处理和电源管理芯片，将完整芯片组与应用处理器的模拟与电源管理功能集成到一个器件中，从而降低了板级要求、减少了芯片数目及开发成本。系统中的射频无线部分，在需要重要低噪声效能时采用低压降稳压器(LDO)，而降压式直流-直流转换器(DC-DC)则应用在新一代发送功率放大器的电源上以取得更长的电池使用时间。

图1 移动终端系统及其电源管理模式

2万 · 2014-5-20 00:03

　　供电部分是整个系统的基础，这一部分作用非常重要，供电系统与耗电系统必须有紧密的联系，可以互相通信，这样才可大幅节省电能。如果系统各个元器件没有质量问题，在焊接完成后就可以加电进行测试，所需要的工具和仪器仪表只要烙铁、焊锡丝、数字万用表就可以了。在焊接前，首先用万用表测量最终的电压输出端和地有无短路现象，没有才能进行焊接，目前许多制造PCB的厂家其做工和质量并不是很高，时常出现短路的现象。

　　动态电源管理

　　动态电源管理是调节移动终端中存在的一个或多个处理器内核的工作电压和频率，因为系统通常配备一块高度集成的、基于 PowerPC、ARM 和 x86DSP 或智能基带处理器。系统功耗产生的原因与电阻上消耗的功率、有源器件的开关转换阶段以及集成电路内部和外部电容的充放电有关。另外，系统的性能指标、负载能力、被处理信号的工作频率、电路的工作频率、电源的管理水平、零部件的性能、散热条件、接口的物理性能等都对系统功耗起着重要的作用。

　　目前绝大多数的处理器是用CMOS 工艺制造的。而CMOS电路的总功耗是动态功耗与静态功耗之和，当电路工作或逻辑状态转换时会产生动态功耗，未发生转换时晶体管漏电流会造成静态功耗：

2万 · 2014-5-20 00:03

　式中C为电容，为开关频率，为电源电压，为漏电流。为动态功耗，为静态功耗。在电源管理设计实现中，重点是动态功耗。从式中可以看出：降低电压对功耗的贡献是2次方的;降低时钟也可降低功耗，但它同时也降低性能，延长同一任务的执行时间。所以，选择满足性能所需的最低时钟频率，在时钟频率和各种系统部件运行电压要求范围内，设定最低的电源电压，将会大量减少系统功耗。基于这种思想的电源管理方法如图2所示，它能动态的改变CPU时钟，降低处理器的时钟频率。

图2 动态电源管理方法

2万 · 2014-5-20 00:04

　LP3970的电源管理特性

　　本系统中使用了美国国家半导体(NS)产品系列中的LP3970，它可作为单独的IC使用或用作整个平台解决方案的一个组成部分，它具有的超低电流模式技术和超低的电流干扰(见图3 )。LP3970将多个系统整合到一个设备中，大量系统级模块的整合协作简化了设计流程，同时能在极具竞争力的价位上提供高精密度的产品。

图3 超低电流特性

　　NS的多功能电源管理单元LP3970 内置了11个低压降低噪音的线性稳压器，其中8颗负责驱动数字负载，而另外3颗负责驱动模拟负载，LP3970还有2个电感式DC/DC降压稳压器、1个后备电池充电器及4个通用输出，可为应用处理器提供稳压供电。通过I2C 接口，嵌入式处理器可以对LP3970进行数字控制，根据负载情况动态调节电源电压来节省功耗。