采用降壓轉換器進行動態電壓控制，降低便攜功耗

手機在傳統的2G技術基礎上的2.5G(GPRS)、2.75G(EDGE)和3G乃至更先進技術的手機所占的比例越來越高。這些較新或最新型手機的一個共同點，便是在傳統的語音通話等基本功能之外，又或多或少地集成了其它的功能，如MP3播放、拍照、視頻播放、游戲、移動電視和GPS等。另一方面，手機的屏幕也越來越大。這些功能或特色為手機帶來了更大的功率需求。

但是，手機等便攜產品所用電池在技術和商業應用方面的速度遠遠跟不上新型手機的功能集成及其所帶來的功率增加速度。也就是說，手機可用電池電能與新功能所要求的額外電量之間存在著很大的差距，這導致新功能手機在通話時間和電池使用時間上普遍地較較老的2G手機遜色。

因此，橫亙在工程師面前的是兩項挑戰：一是適應高集成度的趨勢，二是延長電池使用時間。在現有電池技術沒有根本性突破的情況下，電池的電量得不到大幅提升，因此，只能在降低手機不同功能的功率消耗方面下功夫。也就是說，低功耗設計對于成功的便攜設計而言越來越關鍵。

手機不同功能的功耗及降耗方法

手機包含不同的功能模塊，如調制解調器(MODEM)和射頻放大器、處理器、存儲器、音頻、顯示和背光及其他功能。不同功能模擬的功率消耗也各不相同。以一部智能手機為例，手機MODEM和射頻放大器這部分的電流消耗非常可觀，特別是射頻放大器要求很高峰值電流，因此這總分消耗的手機電池電量比任何其它部件都多，大約相當于總量的40％。

此外，主處理器需要運行操作系統，負責整個系統的控制，這部分的功率消耗約占總功耗的20％。此外，音頻和用戶界面(顯示和背光)各自約占10％的功耗。余下的則為存儲器和其它功率消耗。

圖1顯示了智能手機各個部分的功率消耗所占比例。要實現成功的低功耗設計，就需要分析和充分利用各個部分的降耗潛力。對于手機MODEM、RF放大器和音頻而言，受噪聲約束和最低電壓要求等限制，這些占總功耗50％的功耗難以減少。我們需要在剩余的部分中挖掘潛力。其中，就處理器和存儲器而言，二者占總功耗的27％，如果能夠減小這部分的功耗，對減少總體功耗也就會有所助益。

那么，對于處理器和存儲器這樣的數字CMOS芯片而言，可以采用什么樣的方法來降低功耗呢?主要包括兩方面，一方面是通過空閑和休眠等模式來進行數字功率控制，也就是功率管理器件通過空閑、休眠和快速喚醒模式來節省功耗，只有在需要時才會相應的功能模擬供電。另一方面就是采用動態功率控制，也就是將內核頻率與內核電壓結合起來進行動態調節，以此顯著降低功耗。

圖2顯示的是描述動態功耗的簡單公式，其中P為動態功耗，c為負載電容，V為工作電壓，f則為工作頻率。需要指出的是，這個公式并未將晶體管泄漏考慮在內，且c值也比較難以估計。

動態頻率與電壓調節的工作流程及示例

對于同一芯片而言，其頻率越高，需要的電壓也越高。從圖2所示的公式可以看出，單純降低頻率可以降低功率，但對于一個給定任務而言，消耗的總能量E等于功率P與時間t之乘積，而頻率與時間之乘積f×t是一個常量，所以這樣并不能真正地降低能量消耗。與之不同的是，我們可以進行動態頻率與電壓調節(DVFS)。這種方法既要降低頻率，又要降低電壓。由于電壓相對于動態功率的二次方的關系，DVFS這種方法所能夠帶來的節能效果會比較明顯。

要讓DVFS發揮作用，真正地實現節能，單純只有處理器芯片的支持是不夠的，需要采用結構軟件與硬件的系統途徑來實現。通常情況下。我們可以采用固件流程來操作DVFS硬件，而由軟件來計算負載并使負載滿足實時操作要求。

一個典型DVFS系統的工作流程如下：

1)采集與系統負載有關的信號，計算當前的系統負載。

2)根據系統的當前負載，預測負載系統在下一時間段需要的性能。

3)將預測的性能轉換成需要的頻率，從而調整芯片的時鐘設置。

4)根據新的頻率來計算相應的電壓，并通知電源管理模塊來調整給處理器的電壓。

需要說明的是，在步驟2需要預測下一時間段需要的性能，功率需求時，可以采取不同的算法。這其中既包括復雜算法，也包括簡單算法。在復雜算法方面，有如ARM開發的自動性能調節和智能能量管理(IEM)算法，但需要系統級芯片(SoC)和固件。簡單算法則包括實時數據快速傅立葉變換(FFT)等算法。以FFT算法為例，它由緩沖器將數據輸入至內存.而由固件來監測緩沖大小。此外，如圖3所示，通過建立功率需求模型，可以預測典型便攜應用時的功率需求。

而對于步驟4而言，這里需要特別的電源管理芯片，從而更好地來對處理器的電壓進行調節。

在這里，我們以采用XScalePXA270應用處理器的智能手機應用為例，看DVFS技術如何能夠幫助降低處理器的功耗。XScalePXA270是一款采用ARM內核微架構的應用處理器，它采用了SpeedStep動態電源管理技術，在保護CPU性能的情況下，能夠最大限度地降低移動設備的功耗。SpeedStep就是英特爾開發的一種支持動態電壓和頻率調節的節能技術。

圖4顯示的是對處理器從滿載到中等負載及從中等負載到輕載進行轉換的示例。在第一個過程中。電壓變化(△V)和頻率變化(△V)分別為一100mV和一200MHz，而產生的功率變化(AP)則為-450mW，下降比例達50％{第二個過程的△V和△=f分別為-200mV和-450MHz，而△P則為-410mW，下降比例高達91％。

總而言之，采用DVFS方法可以實現顯著的功耗降低。但給于給定任務而言，調整頻率可能會影響處理時間，這是一個必須予以考慮的因素。另外，若在執行實時任務或通信任務，則要審慎使用動態頻率調節，僅進行電壓調節；在其它情形下，則同時進行電壓和頻率調節。因此，對于軟件工程師來說，需要集成DVFS工具，評估傳統編程結構，并集成“處理能力需求計算/預測”算法。

采用安森美半導體降壓轉換器來實現動態電壓調節

如上所述，DVFS工作流程的第4步是根據新的頻率來計算相應的電壓，并通知電源管理模塊來調節給處理器的電壓。在這個過程中，安森美半導體支持DVFS功能的兩款DC－DC降壓轉換器芯片NCP1521B和NCP1532可以提當重任。

NCPl521B是一款1.5 MHz、600 mA降壓DC-DC轉換器。它是一款單片集成電路，針對采用單節鋰離子電池到三節堿／鎳鉻，鎳氫電池供電的便攜應用進行了優化。在脈沖寬度調制(PWM)模式，這器件能夠提供容限為3％的電壓和90％乃至更高的能效。在負載電流降低的條件下，這器件會自動切換到脈沖頻率調制(PFM)模式，以降低電流消耗和延長電池使用時間。

圖5所示的是支持DVFS功能的NCP1521BDC-DC降壓轉換器的電路示意圖。從圖中可以看出，它增加了開關以動態地控制輸出電壓，而兩位(b0，b1)則專門用于修改外部電阻電橋比，從而使輸出電壓在0.95V到1.25V之間調節。而圖6顯示的則是NCP1521B在低成本智能電話中的應用示例。

結語

隨著集成的新功能越來越多，手機等便攜產品的功率需求越來越大。在電池電量還不能獲得突破性提高的情況下，分析清楚手機各部分的功率需求及降低功率需求潛力成為了實現成功的手機設計的一項重要因素。相對于手機MODEM和RF放大器等不易降低功耗的部分，存儲器和處理器等數字芯片可以通過動態電壓和頻率調節(DVFS)技術來實現較為明顯的功率下降，從而實現更好的節能，延長便攜產品的電池使用時間。集成DVFS功能需要掌握處理器的性能預測相關知識，以降低內核的頻率和電壓。特別是DVFS應用可配合單降壓轉換器和雙降壓轉換器來投入運用，從而提供低成本、高能效的便攜解決方案。