原创 DC/DC转换器性能提升使移动处理器更加省电

移动设备处理器功耗过高问题，可望藉由提升直流对直流（DC-DC）电源转换器性能获得改善。具有更低暂态响应的DC-DC电源转换芯片，由于输出电压不易产生波动，有助移动设备处理器能在稳定的低电压下运作，进而达到省电的目的。 因此，为保证处理器所能达到的性能，直流对直流电源转换器通常需要在较高的电压状况下运作，而不是如理想状况那般，尽可能以最低的电压状况下运作。 有鉴于此，在开发处理器时，为延长宝贵的电池寿命而耗费许多人力完成的设计，可能会因为驱动处理器的是一个不合标准的直流对直流电源转换器而白白浪费，这个直流对直流电源转换器的暂态性能，及精确性可能都有不足之处。 透过本文的描述，将可看到一个内建暂态性能很好的直流对直流电源转换器，如何为电源管理IC（PMIC）达到更好的省电效果。 确保处理器正常运作电压输出功率须稳定 处理器制造商耗费许多时间于处理器的功率电路上，只为了要确保在性能最大化之余，功耗也能降至最低。在某些状况下，处理器会调整性能以匹配最低可能功率，或甚至是采用动态机制，根据处理器能力调整核心的电压。 处理器需有最低电压才能维持正确的性能。然而，在正常的运作状况下，直流对直流电源转换器的输出电压会受到许多因素的影响而有所变动，例如元件的变异性、直流对直流电源转换器的运作模式，与暂态负载等因素。 这表示直流对直流电源转换器的输出电压通常需要标示正/负公差水准，才能确保处理器正确运作，而直流对直流电源转换器的输出电压水准则必须尽可能在最低值加上公差的范围内运作。 因此，若处理器只有在特定电压之下才能保证维持特定的性能，那么直流对直流电源转换器就必须在一个较高的电压下运作，如此才可以应付电压下降、精确性不足，及通常会被忘记或是忽略掉的暂态反应等影响因素。 因此，若能将直流对直流电源转换器在暂态负载下的输出性能调整到最佳化，那么由其供电的处理器，就可在最低功耗下发挥最大的性能。藉由检视技术较先进的PMIC产品内建的直流对直流电源转换器的暂态效能，可发现这些优化的性能就能为数种不同运作模式节省许多的电池寿命。 如图1所示，一个整合型电源管理次系统，可提供一个具有成本效益及弹性的单芯片电源管理解决方案。它是特别针对一系列低功率便携式消费性产品的需求而设计，但同样也适用于任何具有多媒体处理器的应用。已有厂商推出可支援ARM处理器运作的PMIC，但同时也能支援大部分的应用，以及各种低功耗多媒体应用的核心移动处理器。

图1 高集成度PMIC系统电路图

集成型PMIC助力实现低功耗处理器 直流对直流电源转换器BuckWise技术，可以提供2.5A的输出电流，它具备可编程InstantConfig EEPROM引导程序配置、安全的RTC、辅助性模数转换器（ADC）、低功率32kHzRTC晶体振荡器、I2C及DVS介面等各种优势的特性，除了能够完全地量身订制之外，尚可以产生高效率、可扩充式的解决方案。 另一方面，直流对直流电源转换器的效率，会因为运作条件不同而改变。因此，为进行有效的比较，首先假设三种测试类别的系统电源效率为80%.实际的系统效率也会在稍后分析中有所考量，以显示改变直流对直流电源转换器模式的效益，将如何影响系统的电池寿命。 如图2所示，在特定条件下，暂态响应为±6mV。因此就理论而言，应用至处理器上的电压水准，将只会比所需要的电压高出6毫伏特而已。而且，在相似的条件下，其他的PMIC可能有机会超过±30mV。

图2 高集成度PMIC在特定条件下的直流对直流电源转换器1及2的暂态响应

由于处理器的功耗与电压的平方成正比，因此可以很轻易预估出所增加的功耗。这也就表示，当使用暂态性能较佳的直流对直流电源转换器时，电池的使用寿命将会显著增加。 设计人员若选择使用具有多重运作模式的PMIC，可以针对不同系统进行最佳化。表1显示在以上相同条件下，直流对直流电源转换器在不同运作模式下的暂态性能量测值。 本文显示出直流对直流电源转换器暂态性能与传统PMIC解决方案，在节省功率及增加电池的寿命方面，是如何的不同。一颗PMIC中内建数颗直流对直流电源转换器，若单看一颗直流对直流电源转换器，目前市场中已有先进的技术能做到比一个传统30毫伏特暂态性能的PMIC延长7.5%的电池寿命。 此外，这种电源节省并不须重新设计线路或增加任何元件，只须将直流对直流电源转换器输出电压降至最低值就可以做到了。