便攜式產(chǎn)品的低功耗電路系統(tǒng)的綜合考慮

集成電路和計算機系統(tǒng)的發(fā)展對低功耗的要求越來越高。本文探討了低功率電路和系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，分析了功耗產(chǎn)生的主要原因以及與成本的關(guān)系，并提出了幾種實現(xiàn)低功率的方案。


如今,集成電路和計算機系統(tǒng)正變得越來越復(fù)雜。為了適應(yīng)這一變化，設(shè)計師需要在主要設(shè)計參數(shù)表中考慮功耗的要求。低功率邏輯電路的標(biāo)準(zhǔn)被定義為每一級門電路功耗小于1.3uW/MHz，而在模擬電路中被定義為小于5mW。最終用戶認為，低功率系統(tǒng)應(yīng)該滿足低功耗的要求。

對于總體系統(tǒng)設(shè)計來說，功耗在設(shè)計中的地位已變得越來越重要，這是電子工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。電子工業(yè)發(fā)展總的趨勢是提供更小、更輕和功能更強大的最終產(chǎn)品。目前許多產(chǎn)品領(lǐng)域中還出現(xiàn)了無線和便攜式的要求，從功率觀點看設(shè)計任務(wù)將變得更加艱巨。電池供電產(chǎn)品性能的目標(biāo)，就是單個或一組充電電池能維持設(shè)備連續(xù)幾天的工作，比如現(xiàn)已廣泛應(yīng)用的Walkman單放機或蜂窩電話。

另外，對低功耗方面的新要求正在被環(huán)境保護組織明文寫進“綠色”電腦規(guī)格書中。所有政府部門采購的臺式電腦必須符合功耗要求，即任何一臺處于睡眠狀態(tài)電腦的功耗不得超過30W。VLSI技術(shù)公司移動產(chǎn)品部銷售經(jīng)理Barta指出，臺式電腦有向“深綠色”電腦發(fā)展的趨勢。這些機器將掛起所有操作直到被相關(guān)激勵信號喚醒后才進入正常運行模式，這類似于膝上型電腦的節(jié)電模式。

ARPA(美國國防部高級研究計劃署)正在對低功率電子領(lǐng)域作深入研究，以期開發(fā)出一種主流技術(shù)，使新一代電子系統(tǒng)的功耗遠遠低于現(xiàn)有系統(tǒng)的功耗。他們感到有必要綜合利用先進材料、器件、電路結(jié)構(gòu)、電源管理等各個領(lǐng)域中的先進技術(shù)，這對于移動計算和通信系統(tǒng)來說尤其重要，因為這兩個領(lǐng)域涉及大量的混合信號處理、無線頻率子系統(tǒng)和直流源電路的高效功率轉(zhuǎn)換與分布系統(tǒng)。

隨著每隔幾年電路密度的成倍增大，要在更小的封裝尺寸內(nèi)實現(xiàn)更高的功率密度，難度越來越大，許多設(shè)計者也了解到,越來越高的互連密度和日趨精細的PCB布線會帶來一系列問題。LSI邏輯公司ASIC市場部副總裁Koc說，對于一個100MHz、200k門數(shù)的芯片，正常工作時的功耗可能會達到30到40W，這么大的功率已經(jīng)遠遠超過了封裝的散熱能力。系統(tǒng)中由功耗引起的熱量密度與封裝限制問題給設(shè)計者帶來了更大的挑戰(zhàn)，因為高溫工作會給集成電路帶來可靠性和功能性問題。許多可靠性計算故障模型都是以熱系數(shù)為指數(shù)的函數(shù)，與溫度有關(guān)的這些故障模型包括工作器件故障以及電流密度、金屬互連故障。

低功率應(yīng)用

在電池供電模式下，一些便攜式電腦工作時間可達6個小時以上。由于受便攜式電腦的實際尺寸和重量限制，不允許加風(fēng)扇或其它冷卻器，也限制了電池的大小和重量，因此增加電池尺寸延長電池工作時間的做法是不可行的。

低功率系統(tǒng)的另一個例子是蜂窩電話，它們能將用于系統(tǒng)控制的微處理器、模擬電路、數(shù)字電路和RF電路一起集成到很小的封裝中，電池在充電一次后，能在“接收、待機”模式下工作一整天，并可以有一小時的通話時間。

一般來說，低功率系統(tǒng)必須面對與低功耗有關(guān)的額外性能限制，而現(xiàn)在系統(tǒng)設(shè)計都將功耗作為其中的一項重要性能指標(biāo)。半導(dǎo)體工藝和電路結(jié)構(gòu)的發(fā)展為元器件性能帶來巨大進步，同時也帶來功耗問題。許多情況下要平衡性能與功耗的關(guān)系非常困難，但利用適當(dāng)?shù)墓β士刂品椒ɑ騽?chuàng)新性設(shè)計可以獲得多種解決方案。

降低供電電壓會產(chǎn)生兩種副作用。首先，電路工作電壓越低，則速度越慢。如果其它因素都保持不變的話，會減小電容充放電的電流或負載驅(qū)動電流。其次，較低的電壓將導(dǎo)致較低的輸出功率或較低的信號幅度，這會產(chǎn)生噪聲和信號衰減問題。

產(chǎn)生功耗的原因

整體的功耗取決于諸多因素，如基底技術(shù)、封裝密度、外部環(huán)境、產(chǎn)品性能和供電電壓。在實際應(yīng)用中，往往速度越高功耗越大。

電阻上消耗的功率表示為I2R，它通常由負載器件和寄生元件產(chǎn)生。不管采用何種技術(shù)都會或多或少地存在這方面的功耗，在電阻性負載電路如模擬電路中更是如此。當(dāng)采用深亞微米技術(shù)時，電路中的導(dǎo)線(金屬導(dǎo)線)和層間寄生電阻會產(chǎn)生靜態(tài)阻抗功耗，在動態(tài)功耗中也要消耗一定的電流。

有源器件的正常工作模式可用一條轉(zhuǎn)移曲線和某些I-V特性來描述，如圖1所示，工作點電壓與電流的乘積是功率的函數(shù)，適用于全部有源器件。該乘積是一個靜態(tài)值，對無源和有源器件來說，它包含了漏電流和偏置電流。

在CMOS電路中，理想情況下，I-V轉(zhuǎn)移曲線是一個瞬態(tài)函數(shù)，當(dāng)I-V轉(zhuǎn)移曲線跨越門限時，從一個狀態(tài)轉(zhuǎn)移到另一個狀態(tài)不消耗功率。但在實際應(yīng)用中，轉(zhuǎn)移曲線并不是理想的方形，因此每次狀態(tài)轉(zhuǎn)移時都會有大的(潛在性)開關(guān)電流。理論上看，在狀態(tài)轉(zhuǎn)移過程最壞情況下，具有零內(nèi)阻的開關(guān)器件會在電源與地之間形成直接短路的現(xiàn)象。

在CMOS電路中，最大的功耗來自于內(nèi)部和外部電容的充放電，通常用W/Hz來表示每個門電路的功耗。據(jù)此，就可以計算后級的門或輸出負載(包括電路封裝和PCB導(dǎo)線)的電容充放電所需的功率。峰值電流I=C(V/T)，V約等于CMOS電路的電源電壓，T是上升或下降沿時間，C是后級負載電容，因此峰值電流通常都比較大。平均開關(guān)功率P=C(V)2F，此時C是指輸出端的負載電容，V是供電電壓，F(xiàn)則是開關(guān)頻率。

功耗的系統(tǒng)成本

系統(tǒng)功率越大，所需要的電源電壓也越高，成本也就更昂貴，由此產(chǎn)生的影響涉及到電源總線、板上旁路電容、母板布線、電源線濾波器甚至電源電纜和熔絲等。另外，較大的供電電源需要更多的空間，因此可能會影響到系統(tǒng)的總體封裝。

電池尺寸、重量和成本取決于系統(tǒng)對整體功率的要求以及每次充電所要求的工作時間。一般情況下，電池越大成本越高。備份電池和充電器在尺寸與重量方面可能與原設(shè)備相當(dāng)，因此會嚴(yán)重影響設(shè)備的便攜性。

供電可以用“美元/W”來表示成本。系統(tǒng)整體功率要求得越低，在電源方面開銷就越少。同時小型電源產(chǎn)品占用空間小，自身功率消耗得也較少，因此會對系統(tǒng)整體功耗有益。

小型電子系統(tǒng)的熱量管理要求許多不同的功能，但也許不容易做到。因為，系統(tǒng)可能沒有足夠的空間或電力來放置冷卻元件，而一些系統(tǒng)也許不能容忍冷卻元件引起的噪聲以及電子噪聲。封裝外形的限制也可能迫使所有產(chǎn)熱元件集中在一個小塊區(qū)域，這樣會加重散熱問題，當(dāng)一個發(fā)熱的塑料外殼電子設(shè)備置于膝上時，用戶可能會感到不舒適。為了進行散熱而使設(shè)備敞開運行對在線操作(line-operated)系統(tǒng)來說也是不允許的，對銷往歐洲的系統(tǒng)尤其如此。

其它問題包括風(fēng)扇與另外一些散熱元件的成本，當(dāng)需要加速空氣流通時成本也會相應(yīng)增加；散熱器與排熱管有助于熱源熱量的散發(fā)，但仍需將熱量從系統(tǒng)中排除出去。
低成本的塑料封裝不能適應(yīng)高集成度IC的高功率特性要求，這迫使其采用具有熱量管理功能的昂貴封裝或其它更復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)。

低功率電路的實現(xiàn)方案

IC工業(yè)正尋求多種途徑來滿足低功率系統(tǒng)要求，其中一個途徑是將數(shù)字器件的工作電壓從5V變?yōu)?.3V，將模擬器件的電源電壓從±15V變?yōu)?V單電源。這些改變歸功于先進的硅片技術(shù)與電路結(jié)構(gòu)。Atmel公司市場部副總裁Katz說，未來數(shù)字芯片工作電壓的發(fā)展趨勢將是2.5V、1.8V甚至更低的電壓，它們均是0.9V(電池電壓的最低極限)的倍數(shù)。器件的復(fù)雜度、更高的工作頻率和器件物理性質(zhì)將共同促進這一發(fā)展趨勢，屆時亞微米幾何尺寸的更小型器件所具有的較薄氧化層將難以承受更高的電源電壓。