利用模數(shù)轉(zhuǎn)換器的特性降低物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)級芯片功耗

　　諸如物聯(lián)網(wǎng)(IoT)這樣的功耗敏感型應(yīng)用要求在系統(tǒng)級芯片(SoC)內(nèi)部有一套全面的低功耗策略。單純依賴傳統(tǒng)關(guān)閉電源模式和低電源電壓的技術(shù)可能不足以實現(xiàn)功耗目標(biāo)。模擬模塊通常被認(rèn)為是過于敏感，并且與激進(jìn)的電源管理技術(shù)不兼容。

　　然而，對于模擬模塊特性的全面了解可以使低功耗SoC設(shè)計成為可能。在本文中，我們對通用的物聯(lián)網(wǎng)SoC設(shè)計中與外部傳感器連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)知識產(chǎn)權(quán)(IP)進(jìn)行了近距離的觀察，并描述了其相關(guān)特性，以及在系統(tǒng)層面上如何利用這些特性來實現(xiàn)低功耗。

　　傳統(tǒng)低功耗技術(shù)的挑戰(zhàn)

　　那些有可能依靠紐扣電池或能量采集來供電的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，正在驅(qū)動整個行業(yè)對超低功耗SoC設(shè)計的需求。為了在不替換電池的情況下，維持很長一段時間的運(yùn)行，設(shè)計人員必須充分利用可用的低功耗技術(shù)。

　　傳統(tǒng)的方法依賴于SoC電源電壓的降低，以及更先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝提供的更小特征尺寸來降低運(yùn)行功耗。這種方法增加了系統(tǒng)成本，且有可能導(dǎo)致更高的漏電。

　　在系統(tǒng)層面上，可以通過識別芯片中哪些模塊可以在操作完成后關(guān)斷電源，來實現(xiàn)低功耗技術(shù);也可以將時鐘頻率和電源電壓調(diào)低至維持必要操作所需的最低值，從而降低額外的功耗。

　　一款物聯(lián)網(wǎng)SoC的典型任務(wù)場景可以在其非常短的工作周期中標(biāo)定出來：大部分電路通常都處于空閑模式;僅有一小部分電路始終處于工作模式，以便掃描環(huán)境以及在需要時激活其余的電路。圖1所示為常見的物聯(lián)網(wǎng)使用情況。始終處于工作模式的電路被放置在一個專用的電源島上，并使用高閾值(Vth)電壓器件甚至厚氧化層器件來使漏電最小化。其余的電路可以通過切斷其電源限制其漏電。

圖1常見的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景

　　一款語音控制的裝置就是這種應(yīng)用的案例之一，其中只有簡單的語音監(jiān)測電路始終處于工作模式;而專門用于指令識別和處理的模塊，則只有在語音監(jiān)測電路識別出一個可能的命令時才會被激活。另一個案例就是傳感器的定期輪詢，它是用來決定是否需要根據(jù)環(huán)境中的一些變化而采取進(jìn)一步的行動。

　　因此，為了進(jìn)一步降低工作和漏電功耗，現(xiàn)代的物聯(lián)網(wǎng)SoC設(shè)計引入了復(fù)雜的電源管理架構(gòu)，其帶有多種電源關(guān)斷模式，并將電路詳細(xì)地分割到不同的電源島中。

　　支持當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)SoC設(shè)計的全新低功耗技術(shù)

　　然而，當(dāng)提到模擬接口時，傳統(tǒng)的低功耗技術(shù)就不能直接應(yīng)用了。模擬模塊通常要去處理具有大電壓擺幅和高線性度要求的信號。這就限制了降低電源電壓的可能，也因此限制了縮小實際最小特征尺寸的能力。

　　模擬模塊存在內(nèi)部偏置電流和偏置電壓，為了實現(xiàn)最佳性能，它們需要得到妥善的處置。因此，上電和關(guān)斷時間自然就慢，從而限制了電源模式切換的使用。此外，它們有時是通過較慢的串行總線控制的，這就導(dǎo)致了對其電源狀態(tài)進(jìn)行實時、主動控制的能力受到限制。

　　設(shè)計人員需要一種新的方法來突破這些局限性，尤其是在設(shè)計功耗敏感型應(yīng)用的時候。集成與傳感器連接的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)不僅降低了外部物料清單(BoM)成本，而且也支持了在SoC的電源管理架構(gòu)中實現(xiàn)更緊密的模擬接口集成，實現(xiàn)了更快的上電和關(guān)斷轉(zhuǎn)換以及額外的功耗降低。為了降低BoM成本和功耗，設(shè)計人員必須選擇一款可集成的ADC，它需要足夠靈活地支持不同的操作模式，并且可以在不同的電源模式間快速轉(zhuǎn)換而功耗最低。一款可集成的ADC具有以下關(guān)鍵特性：

　　l 最低的靜態(tài)功耗，在速度降低時可實現(xiàn)功耗最小化

　　l 多種性能模式，在性能設(shè)置降低時可實現(xiàn)功耗最小化

　　l 具有多種電源模式，以及在它們之間快速轉(zhuǎn)換且不會損失精確度和性能

　　具體的使用案例

　　設(shè)計人員必須理解ADC的所有特性，以及如何在具體的使用案例中應(yīng)用來實現(xiàn)額外的功耗降低。以下是幾個使用案例的實例。

　　1. 非常緩慢的采集速度

　　本案例考慮的是這樣一種情況：系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理需要某一種時鐘速度以實現(xiàn)所需的處理吞吐量，然而傳感器信息可能只需要以一種很低的速率來更新。

　　對于這個使用案例，傳統(tǒng)的實現(xiàn)方法是對處理器時鐘進(jìn)行分頻降低來匹配傳感器采樣所需的低速率。然而，這個時鐘頻率可能比ADC能夠可靠支持的最小值還低——還有一種選擇就是以更高的頻率來設(shè)定ADC時鐘，但在某些時段需要保持空閑(待機(jī))模式。

　　理想的選擇是在這些空閑期內(nèi)完全關(guān)閉ADC，然后在下一次傳感器采樣時快速喚醒它。在這種模式中，ADC主要消耗漏電功率，而僅在短暫的主動采樣時刻消耗工作功率。這有效地將功耗的低限擴(kuò)展到了比時鐘頻率最小值時的功耗值低得多的范圍，而且不影響SoC的配置(例如，符合數(shù)據(jù)處理所需的時鐘速度)。

　　這種選擇依賴于以下ADC特性：

　　l 快速的關(guān)斷和上電步驟(諸如校準(zhǔn)等任何緩慢的過程都應(yīng)該避免出現(xiàn)在這些步驟中)。

　　l 關(guān)斷模式下非常低的漏電功耗，例如將電源管理功能集成到ADC中(電源開關(guān)、低壓差線性穩(wěn)壓器等)。在不同電源模式之間轉(zhuǎn)換所造成的額外功率損耗應(yīng)該是最低的(圖2)。

　　圖2待機(jī)模式和關(guān)閉模式中的低功耗對比

　　l 性能的可重復(fù)性。像偏移和絕對精度這樣的性能參數(shù)需要在連續(xù)多個電源周期中都保持一致。轉(zhuǎn)換結(jié)果的穩(wěn)定性可以使用“有效分辨率”(Reff)這一度量標(biāo)準(zhǔn)來判定，該標(biāo)準(zhǔn)可以從ADC依據(jù)一個固定輸入而產(chǎn)生的輸出直方圖中獲得，而該直方圖則由多個電源周期中的大量測量值樣本來形成(圖3)。比較窄的分布(圖3左側(cè))是更好穩(wěn)定性(及低噪聲)的證明。而擴(kuò)展的分布或重復(fù)出現(xiàn)多個峰值(圖3右側(cè))則是穩(wěn)定性較差的象征。

　　圖3 ADC的有效分辨率直方圖

　　2. 與內(nèi)部處理器和電源管理系統(tǒng)緊密結(jié)合

　　本例考慮了這樣一種情況：集成的ADC與處理器寄存器緊密結(jié)合，使ADC控制寄存器映射至處理器的內(nèi)部寄存器中，從而避免了通過復(fù)雜的總線去控制ADC，而這些總線通常每次讀/寫操作要好幾個時鐘周期。這種技術(shù)可支持系統(tǒng)快速地進(jìn)入低功耗模式，不用多個時鐘周期來控制ADC。如果ADC常常經(jīng)歷上電/斷電周期，那么該技術(shù)將是大有裨益的。

　　此外，穿越模擬域和數(shù)字域的控制回路的延遲變小了，從而潛在地提升了控制回路性能。

　　這種技術(shù)依賴于以下ADC特性：

　　l 將ADC控制映射到內(nèi)部處理器寄存器中，或直接映射到AMBA結(jié)構(gòu)中(AMBA即高級微控制器總線架構(gòu))的能力，避免了循環(huán)和電源等待周期。

　　l 將ADC電源管理特性(內(nèi)部電源島等)集成至SoC電源管理系統(tǒng)中的能力

　　3. 性能分級

　　本例考慮了這樣一種情況：某個傳感器的讀數(shù)所需精度可以根據(jù)系統(tǒng)狀態(tài)而變化。例如，當(dāng)一個圖像傳感器檢測到?jīng)]有任何活動時，較低的精度是可以接受的。然而，當(dāng)有活動被監(jiān)測到時，可能就需要更高的精度。

　　這項知識可以被用來降低功率損耗：數(shù)據(jù)采集速度和ADC性能等級在非活動期間可以降低，而僅在需要更高精度時才升高。

　　這種技術(shù)依賴于以下ADC特性：

　　l 帶有相應(yīng)功耗降低措施的不同精度選項

　　l 動態(tài)的采樣率控制，以及功耗和采樣率成比例降低

　　4. 高輸出阻抗傳感器

　　本例考慮了這樣一種案例：使用開關(guān)電容技術(shù)來實現(xiàn)現(xiàn)代的ADC。為了實現(xiàn)一種簡化的電路分析，這些ADC的前端采樣級可以被簡化為一個電容器(采樣單元)和一個非線性電阻(開關(guān))。傳感器本身可以被簡化為一個電壓源和一個串聯(lián)電阻(輸出阻抗)(圖4)。

　　圖4簡化的ADC輸入電路和傳感器原理圖

　　當(dāng)電路閉合時，傳感器就充當(dāng)一個加載采樣電容的源，時間常數(shù)τ=RC。如果傳感器輸出阻抗很大，那么時間常數(shù)也大，可能就沒有足夠的時間來建立采樣電容的電壓到一定精度。

　　避免這種限制的一種方式是在傳感器和ADC之間插入一個低輸出阻抗的緩沖器。然而，這種解決方案會因為緩沖器本身消耗的電能而導(dǎo)致大量額外功耗。

　　一種理想的解決方案是延長ADC的采樣時間以適應(yīng)所需的建立時間。如此一來，就不需要緩沖器了，同時功耗也降低了。(圖5)。

　　這種技術(shù)依賴于以下ADC特性：

　　l 可編程的采樣時間，它可以根據(jù)傳感器決定的設(shè)置要求而調(diào)整，既可以為高阻抗傳感器而延長(避免額外的緩沖器)，也可以為低阻抗傳感器縮短(使ADC能更早進(jìn)入關(guān)斷模式，或開始一個新的轉(zhuǎn)換周期)。

　　圖5延長采樣時間以適應(yīng)高阻抗傳感器

　　總結(jié)

　　了解模擬接口的特性和使用案例，可以幫助設(shè)計人員大幅度地降低物聯(lián)網(wǎng)SoC設(shè)計的功耗。

　　通過集成與傳感器連接的ADC，可以實現(xiàn)功耗降低。集成的ADC有如下特性：最低的靜態(tài)功耗，即隨速度的降低而實現(xiàn)功耗最小化;多種性能模式，其中隨著性能設(shè)置的降低而實現(xiàn)功耗最小化;多種功耗模式，以及在它們之間的快速轉(zhuǎn)換、且不會損失精確度和性能的能力。

　　設(shè)計人員必須重視這些特意提供的使用案例，并利用集成ADC的先進(jìn)低功耗技術(shù)和其它特性，來實現(xiàn)額外的功耗降低，同時滿足性能要求。

         作者：Synopsys技術(shù)營銷經(jīng)理Manuel Mota