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功率技術/新能源  

深入瞭解可攜式產品電源的工程學

上網時間: 2010年03月26日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:轉換效率  可攜式  電源設計 

為產品增加其可行動能力,可以讓產品產生額外的收益,也可在原先固定式的應用外開啟一個嶄新的市場。其中一個很好的實例就是可攜式超音波設備市場。不久之前,人們都需要專程跑到診所才能進行超音波影像掃描檢測。對於大多數已開發國家來說,這樣的作業方式都不是問題。然而,如果可以將這樣功能的設備帶到較偏遠的村落及城鎮,就可以大大提昇健康照護的品質。在設計可攜式產品時,會面臨許多必須取捨的挑戰,這些挑戰例如產品的重量、尺寸及使用時間等等。要讓電力轉換效率經常超越90%的水準,許多工程師都必須重新審視他們的工程設計圖,希望在不同的功能設計裡,找出能讓電力更有效率產出的改善方案,從而降低產品整體電力的消耗。

唾手可得的效能改善

俗話說的好,當你想要更多的收穫時,不妨先試試那些最明顯或是最容易的機會。當電源轉換效率徘徊在60%∼75%之間時,我們最先可以獲得的最大效益改善就是將線性穩壓器轉換為開關式穩壓器,此舉能大幅提升系統的整體效能。有了整合式高效能開關式穩壓器後,工程師們必須要將自己的思維超越電源轉換的議題才能獲得顯著的改善。

尺寸、重量、散熱及成本全都是行動裝置市場的驅動力量,這些因素經常主導了決策過程。現階段,電池是整個系統設計環節中最弱的一環,而且電池的發展並未像其他科技(例如半導體製程)有大幅度的進展。現今的電源供應器能提供絕佳的效能表現時,接下來要發展的重點就在於在系統架構上減少損耗。不久之前Intel與其他處理器業者才清楚地認知到,讓處理器跑得更快並不見得是提高效能的最佳方法。他們主要的考量是處理器產生的熱量以及周邊零組件的動態需求。當系統架構演進到多核心並且讓作業系統搭配多核心運算時,就可以實現更佳的效能表現及更低的電源消耗。

當處理器業者停止了MHz的競速戰爭以提升系統效能的時候,行動裝置產品業者也應該後退一步,並重新思考效能表現的方式。類比數位轉換器(ADC)就是一個可以看出這種架構改變的領域。舉例而言,美國國家半導體率先推出整合式摺疊轉換器,新的轉換器不只提供高速的運算(每秒取樣率可以高達千兆位元),而且在處理過程中消耗最少的電源。傳統的快閃型轉換器受限於比較器的數量,而這是可以被整合的。一個快閃型的類比數位轉換器所需要的比較器數目,是輸出位元數目(2n-bits)的函數。舉例而言,一個10位元的快閃式類比數位轉換器將需要1,024個比較器,加上從熱碼到格雷碼到二進位轉換電子,及一個非常精準和一致的電阻分壓器階梯。

摺疊轉換器有完全不同的架構,它採用了數量較少的比較器(一般來說是32至64個),而且利用「摺疊」原理將輸入範圍限縮在比較器網路的範圍內(如圖1所示)。這個解決方案的特色是要補償摺疊過程中所增加的積分及微分非線性誤差。這個新的架構代表了一種可以解決舊有問題的新方法,可以大幅降低系統功能運作所需要耗用的電量。這個方法可以把一個雙十位元每秒千兆取樣率轉換器(PowerWise ADC10D1000)所需的耗電量從幾十瓦降低到約需3瓦,是可攜式影像設備、雷達及軟體定義無線電系統中主要的省電方式。

數位電源架構

在大型的ASIC或是SoIC的設計中,電源架構同樣重要。即使在製程幾何縮小時,一個持續出現的問題是CMOS電晶體的動態與靜態損耗。以下的CMOS電力方程式包括了一個與頻率相關的動態參數及一個靜態漏電參數。當製程比例持續縮小的時候,兩個零件的問題都會浮現。電容的負載及貫通電流可能會減少,但在單一晶片上的裝置數量卻增加了,這會導致每一顆晶片的動態電源消耗增加。臨界漏電流、汲極延伸漏電流、電子穿透以及諸如汲極電壓引發通道位能障壁降低的短通道效應(drain induced barrier lowering,DIBL)等,這些所引起的靜態漏電已成為大型數位ASIC非常嚴重的問題。

當設計大型數位系統的時候,計時系統必須維持包含整體的操作範圍,包括供電電壓、處理過程及溫度變化等。設計上限制電力消耗在最糟的條件下,甚至是最適當的溫度或是較快的製程良率設備也消耗相同的電力。改變架構以適應這些設備的作業環境是可以解決這個問題的方案。一項名為可適性電壓定比(AVS)的技術就是這類的解決方案。

可適性電壓定比技術的作業原理是結合一個監控設備狀況的數位子系統(它與應用數位邏輯合成)及動態改變晶片內各個電壓島的供電電壓。當效能需求改變時,可適性電壓定比邏輯內部到晶片傳送最新狀況到名為能量管理單元(EMU)的外部電力管理設備,來增加或減少該電壓島的供電電壓。如CMOS電力方程式所示,動態參數提供大量的增益,因為它是供電電壓平方的函數。即使靜態參數是供電電壓的線性函數,因為漏電電流減少了,也可以明顯地察覺到省電效果。

為了要節省最多的電力,再一次突顯出系統架構的重要性。為了要讓可適性電壓定比或其他電壓調整技術發揮極致的效果,系統設計者一定要重新考量到他們區分功能性的方法,並且提供分離式的電壓島及頻率領域。以前的設計可能會採用一個獨立的電壓來供應所有核心邏輯所需的電源,而一個新的低耗電設計則可能結合多個獨立的電壓島(這些電壓島的時脈域是被限制在動態需求範圍內)進行供電。再者,由於比較慢速的計時限制,這些電壓島可以利用電壓調整技術或是簡單的使用一個較低核心的電壓。

本文小結

隨著市場對於可攜式產品的需求不斷增加,特別是醫療、通訊及國防等領域,工程師需要思考的領域已經超越電源轉換器,而將目標放大到系統效能的提升。重新檢視架構來尋求創新,或者有時候以比較不明顯的方法來執行一項功能,可能會有更高效能的改善結果,特別是現在的電源轉換器一般而言都可以達到90%的水準。電池技術最終會趕上製程與IC設計中所產出的增益,但唯有工程師能夠發展出更高的電力密度,系統效能才能提供延長操作時間以及減少散熱的解決方案。


作者: Richard F Zarr

美國國家半導體





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