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用戶對于自己所購買的蜂窩電話一般有許多要求，長通話時間和長待機時間顯然是其中最重要的兩項。盡管目前2G蜂窩電話可以通話幾個小時并待機好幾天，但新型2.5G和3G蜂窩產(chǎn)品卻不能做到這樣。事實上日本的早期試驗發(fā)現(xiàn)，有些3G蜂窩電話用不到一小時就沒電了。
設(shè)計人員應(yīng)該認識到，解決這一問題的答案并不僅在于蜂窩電話設(shè)計的模擬部分或數(shù)字部分，要滿足最終用戶在功耗方面的要求，設(shè)計人員在開發(fā)下一代系統(tǒng)時必須有一個總體電源管理方案。本文將詳細討論系統(tǒng)功耗涉及的每個因素，分析設(shè)計人員將面臨的電源管理難題，并介紹解決這一設(shè)計難題的一些有潛力的解決方案。
主要影響因素
在討論具體細節(jié)之前，讓我們先簡要看一下蜂窩電話中必須進行電源管理的關(guān)鍵部分。圖一是一個典型2.5G蜂窩電話設(shè)計的主要功率消耗模塊。
圖一 典型2.5G蜂窩電話模塊功耗對比
發(fā)送功率放大器對設(shè)計工程師來說是電源管理主要難點之一，這種功率放大器要求很高峰值電流，有時將近1安培，因此該部件消耗的手機電池能量比任何其它部件都多。在通常使用情況下，功率放大器消耗的電能幾乎要占電池總能量的一半。
RF收發(fā)器不如功率放大器耗電多，但也會為設(shè)計人員帶來一些功率方面的問題。平均來說，收發(fā)器在發(fā)送或接收模式下消耗的電流介于50至100mA之間。
除了功耗之外，收發(fā)器還為設(shè)計人員帶來另一個挑戰(zhàn)，即從蜂窩電話其它部件電源處收到的噪聲會極大地影響收發(fā)器的整體性能。因此設(shè)計人員必須隔離收發(fā)器的電源，以應(yīng)付可能出現(xiàn)的噪聲問題。
包括音頻編解碼器、射頻編解碼器和電源控制功能的模擬基帶器件消耗的功率并不高，但也必須提供干凈的電源才能滿足手機性能要求。
除了發(fā)送功率放大器之外，數(shù)字基帶器件消耗的功率最多，數(shù)字基帶IC的功耗理解起來比較復(fù)雜，因為較高處理器時鐘速度和晶圓工藝相關(guān)特性等導(dǎo)致很多此消彼長的現(xiàn)象。一般來說，可實現(xiàn)高時鐘速度以滿足應(yīng)用要求的晶圓工藝，其關(guān)閉狀態(tài)泄漏電流相對較高，這將導(dǎo)致因邏輯開關(guān)而形成的有源功率部分，以及無論處理器是否開關(guān)都會消耗功率的泄漏部分。
上面列出了蜂窩電話主要耗電部件，下面讓我們看一下設(shè)計人員解決這些問題所使用的技術(shù)。我們從數(shù)字基帶部分開始。
邏輯功能方面的問題
對于電池供電或低功耗設(shè)備，不同時期的數(shù)字信號處理器都提出過電源管理的要求，主要重點是降低有源功率，對CMOS技術(shù)來說就是信號轉(zhuǎn)換以及設(shè)計中節(jié)點電容充放電引起的功耗。減少這一動態(tài)功耗部分而進行的努力一直集中在時鐘控制上，因為時鐘是同步系統(tǒng)中主要的激勵源。
圖二 微處理器的動態(tài)和靜態(tài)功耗變化情況
將系統(tǒng)時鐘網(wǎng)絡(luò)分割成具有自動軟件控制的單獨時鐘域一直是控制時鐘的有效途徑，如今新時鐘技術(shù)如動態(tài)電源和頻率變換(DVFS)也用到了DSP系統(tǒng)中，可進一步降低有源功耗。
DVFS允許某個模塊電路的工作電壓在系統(tǒng)面臨繁重處理任務(wù)時升高，從而使時鐘頻率和電壓暫時增高。它降低系統(tǒng)功耗的原理是，正常情況下系統(tǒng)電路工作在較低電壓和頻率模式，僅在進行大量數(shù)據(jù)處理時才轉(zhuǎn)到更快更高的功耗模式。但必須指出的是，技術(shù)發(fā)展而導(dǎo)致的主電源電壓不斷下降(從5伏到3.3伏再到1.8/1.5伏，現(xiàn)正走向1.2伏及更低)限制了DVFS在同步電路中真正發(fā)揮作用，因為此時最低和最高工作電壓變得非常接近。
基帶結(jié)構(gòu)的靜態(tài)功耗控制也引發(fā)了一些新的功率控制問題。因為現(xiàn)代CMOS技術(shù)中晶體管的靜態(tài)功耗大幅增加，特別是在支持高性能操作時，這主要是由于為滿足性能要求必須將幾何尺寸縮小并且犧牲晶體管閾值電壓，而該靜態(tài)部分(或稱泄漏電流)對電源電壓水平很敏感。圖2顯示了微處理器的動態(tài)和靜態(tài)功耗變化情況(使用高性能晶體管在最大電壓時)。
現(xiàn)在還處于后期開發(fā)階段旨在減少泄漏電流影響的新技術(shù)采用了待機(或“睡眠”)系統(tǒng)狀態(tài)，這種功率狀態(tài)要么維持全部或部分系統(tǒng)狀態(tài)，要么完全關(guān)閉。在維持狀態(tài)時，可采用降低工作電壓的作法，但需要在存儲器和寄存器等功能中應(yīng)用一些特別的偏壓技術(shù)；在狀態(tài)關(guān)閉時，系統(tǒng)必須關(guān)掉DSP中的模塊，通過電氣隔離這些模塊以確保它們不受系統(tǒng)其余部分操作的影響。
功率泄漏還可作為一個指標，限制針對某個功能所構(gòu)建的晶體管總數(shù)。不管是從靜態(tài)還是從動態(tài)功耗的角度看，晶體管都不是沒有代價的，因此必須對模塊進行優(yōu)化，盡可能采用最少數(shù)量的晶體管。
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