利用智能电源管理技术节能

      电源管理的技术和方法论正在与日俱增。来自政治、环境和消费者的压力一起促使电子产品在增加功能的同时还要节能。当前，便携式应用的增长尤其迅速，其成长的动力主要来自于不断推陈出新的无线设备。手机、PDA、MP3播放器、数码相机，便携式游戏机的体积越来越小、速度越来越快，功能也越来越多。为了确保令人满意的“通话时间”（电池使用时间），设计人员在电源子系统的设计上投入了大量精力。

      功率转换和系统能量管理是影响便携式设备电池使用时间的两大主要因素。功率转换将电池电压有效地转换为需要的供电轨，而系统能量管理则根据应用实时需求来优化系统能耗。

能耗优化带来节能方案

      功率转换要解决的是将稳压器的效率最大化。稳压器的效率为输出功率除以输入功率，以百分比的形式表示：

η = POUT / PIN = (VOUT * IOUT) / (VIN * IIN)

      功率转换效率现在已达到90%的级别，很难进一步提升。由于转换效率已经进入一个平台期，因此有必要寻找新的方法节约系统能量。这就涉及到能量管理领域。

      以下两个等式给出了系统能量管理的必要性。其中的动态项包括：电路电容C，供电电压VDD，时钟频率f。第二个静态项是由数字栅极的泄露电流决定。在体积更大的设备中，动态项决定功率利用率。受电子设备的小型化趋势的影响，静态项的重要性正在日益增加。

在数字系统中，功耗约等于：

P = (C * VDD2 * f) + (VDD * ILEAK)

因此，消耗的能量约等于：

E = (C * VDD2) + ((VDD * ILEAK) * t)

若干改进设计的现有技术

      几乎所有的大尺寸数字系统都会采用一个或多个时钟门控策略，以避免不必要的时钟切换，并且许多系统都会在适当的时候关掉未用部分。处理引擎还利用空闲和休眠模式来节省能量。这种传统的能量管理技术可以定期或在需要时唤醒处理器，执行任务，然后回到低功耗状态。这些技术虽然有效，但并不经济。在需要对电路加电和/或同步时还会产生延迟。只有在不需要进行任何操作时，这些技术才会实现节能（即当处理器处理休眠模式时）。

      新的节能技术是通过调节处理引擎的频率和电压来实现降低能耗的。能量是增加电池供电系统的工作时间的关键所在。降低频率就会降低平均功耗，但不会降低用于完成特定计算任务所需的总能量。系统电压必须同时被降低以实现节能。动态电压调节（DVS）和自适应电压调节（AVS）都可以实现电压降低。

      DVS以预特征化配对方式调节电压和频率。美国国家半导体提供的电源管理IC（PMIC），可以DVS模式操作，比如LP3906和LP3907。DVS可以节省功率和能量，同时有一定的电压裕度，以适应工艺和温度有所不同的所有潜在系统。这种适应最坏情况的额外开销造成了非理想系统中的能量浪费。如果可以在系统级别关闭整个电源回路，控制回路就可以自适应调节电压，以实现最低的工作电压并节约最多的能量。PowerWise技术可以实现这一目标。

智能化能量管理方案PowerWise Interface (PWI™)
     
      PowerWise是一种系统级能量管理方法，可为电池供电设备实现自适应电压调节（AVS）和状态控制。PowerWise概念将闭环AVS与高速、串行电源管理总线融合在一起，允许处理引擎在任何操作频率、任何系统给定时间使用最小电压，以将动态能耗减到最少。

      PowerWise技术还具备偏置处理引擎阱电压的能力。由于VDD被降低以最大限度减少动态损耗，晶体管的阈值电压也必须被降低以维持高驱动水平。这增加了泄露电流和静态功耗。泄露电流可以通过反向偏置阱电压被降低。或者通过对其正向偏置，可以为同一VDD保持较高的驱动水平。PowerWise回路和阱电压偏置方法可以与multi-VT设计结合使用。

      实现PowerWise闭环AVS的标准系统配置由常驻在处理引擎内的先进电源控制器（APC）、包含PWI从设备的PMIC，以及连接两个组件的2线PWI串行总线构成。PMIC为处理器提供不同电压。PMIC提供的电压电平可以通过从APC内的PWI主设备向PWI从设备发送命令来调节。

      APC的任务是接受来自主处理器的命令，提供独立于CPU的电压控制机制，以及实时跟踪逻辑操作速度。APC总是处于在用状态并且不断监控系统的所有参数。系统温度、负荷、瞬变以及工艺变化等等都会被监控。当APC得知频率将要发生变化时，它将确定在新频率下进行稳定系统操作所需的最小电压。在闭路中，APC通过PWI接口向PWI从设备发送电压调节命令来将电压调节至适当的水平。

应对功率挑战的选择

      PowerWise  AVS技术有两种APC版本。APC1用于简单的单电压域设计，而APC2用于更加复杂的多电压域系统。APC1采用点到点PWI 1.0接口，而APC2采用主从设备之间的PWI2.0总线接口。

      美国国家半导体为APC1提供两种标准PMIC产品。LP5550，包括一个AVS DC/DC稳压器和3个LDO；LP5551则增加了另一个DVS式DC/DC稳压器、一个额外的LDO，以及用于阈值调节应用中N阱和P阱连接的偏置稳压器。

       LP5552 PMIC与APC2/PWI 2.0 IP封装兼容。LP5552包含2个用于AVS或DVS设备的高性能开关稳压器，以及5个LDO。所有7个稳压器都在一个小型的36凸点uSMD封装中。每个稳压器都可以独立并关并且编程为所需的电压。

更高开关频率可降低功耗和电路尺寸

      LP5552中的开关稳压器的开关频率为3.6MHz。增加开关频率可以使输出滤波器使用数值更小的组件。典型值为1uH的感应器和10uF的陶瓷电容器。这些更小的值允许系统设计人员可以选择占位空间更小、垂直高度较低的部件，同时保持杰出的瞬变性能。整个电源系统的高度可以小于0.85mm，产品可以设计为极其轻薄的形状。

主要功能

      这些稳压器能够以最大800mA DC电流操作，最高效率为88%。稳压器在0.6V – 1.235V（步阶为5mV）之间进行数字编程。每个稳压器还有一个相关的记忆保持LDO，可以对其进行编程，以跟踪电压调节应用稳压器电压，或者用作一个独立的50mA LDO。这2个记忆保持稳压器可以在0.6V-1.35V（步阶为50mV）之间编程。

      其余3个LDO为其他区域的供电设计带来了灵活性。有两个300mA输出LDO，其中一个为LP5552甚至整个系统设置I/O信令环境。第三个LDO用于为PLL和/或模拟功能供电，能够带来100mA的连续输出电流，而且所有这些LDO都可以进行数字编程。

      LP5552有许多附加信号，允许将LP5552无缝集成到目标系统中。ENABLE和RESETN可以用于系统中，处理电源定序、寄存器空间重置，以及全局电源开/关。PWROK信号是一个指示器，可以用于电源定序或上电复位生成。LP5552还包括3个GPO，可以用作系统内的额外数字驱动器。系统设计人员可以参照LP5552 I/O电压将它们编程为漏极开路输出或推挽输出。

      LP5552可以大大简化系统设计，最大限度降低成本，并且节省PCB空间。它采用了非常紧凑的封装，可以满足便携式电源系统的大多数需求。通过与PWI 2.0主设备连在一起，在闭环AVS模式下操作，它可以在便携式设备中实现最大的能量节约。它还可以用于开路DVS应用，PWI通信可以是来自没有APC的处理引擎上的GPIO的位脉冲。