如何利用DC-DC電源轉(zhuǎn)換器為電源管理IC降低功耗

行動(dòng)裝置處理器功耗過高問題，可望藉由提升直流對直流（DC-DC）電源轉(zhuǎn)換器效能獲得改善。具有更低暫態(tài)響應(yīng)的DC-DC電源轉(zhuǎn)換晶片，由于輸出電壓不易產(chǎn)生波動(dòng)，有助行動(dòng)裝置處理器能在穩(wěn)定的低電壓下運(yùn)作，進(jìn)而達(dá)到省電的目的。

因此，為保證處理器所能達(dá)到的效能，直流對直流電源轉(zhuǎn)換器通常需要在較高的電壓狀況下運(yùn)作，而不是如理想狀況那般，盡可能以最低的電壓狀況下運(yùn)作。

有鑒于此，在開發(fā)處理器時(shí)，為延長寶貴的電池壽命而耗費(fèi)許多人力完成的設(shè)計(jì)，可能會(huì)因?yàn)轵?qū)動(dòng)處理器的是一個(gè)不合標(biāo)準(zhǔn)的DC/DC電源轉(zhuǎn)換器而白白浪費(fèi)，這個(gè)直流對直流電源轉(zhuǎn)換器的暫態(tài)效能，及精確性可能都有不足之處。

透過本文的描述，將可看到一個(gè)內(nèi)建暫態(tài)效能很好的直流對直流電源轉(zhuǎn)換器，如何為電源管理IC（PMIC）達(dá)到更好的省電效果。

確保處理器正常運(yùn)作電壓輸出功率須穩(wěn)定

處理器制造商耗費(fèi)許多時(shí)間于處理器的功率電路上，只為了要確保在效能最大化之余，功耗也能降至最低。在某些狀況下，處理器會(huì)調(diào)整效能以匹配最低可能功率，或甚至是采用動(dòng)態(tài)機(jī)制，根據(jù)處理器能力調(diào)整核心的電壓。

處理器需有最低電壓才能維持正確的效能。然而，在正常的運(yùn)作狀況下，直流對直流電源轉(zhuǎn)換器的輸出電壓會(huì)受到許多因素的影響而有所變動(dòng)，例如元件的變異性、直流對直流電源轉(zhuǎn)換器的運(yùn)作模式，與暫態(tài)負(fù)載等因素。

這表示直流對直流電源轉(zhuǎn)換器的輸出電壓通常需要標(biāo)示正/負(fù)公差水準(zhǔn)，才能確保處理器正確運(yùn)作，而直流對直流電源轉(zhuǎn)換器的輸出電壓水準(zhǔn)則必須盡可能在最低值加上公差的范圍內(nèi)運(yùn)作。

因此，若處理器只有在特定電壓之下才能保證維持特定的效能，那么直流對直流電源轉(zhuǎn)換器就必須在一個(gè)較高的電壓下運(yùn)作，如此才可以應(yīng)付電壓下降、精確性不足，及通常會(huì)被忘記或是忽略掉的暫態(tài)反應(yīng)等影響因素。

因此，若能將直流對直流電源轉(zhuǎn)換器在暫態(tài)負(fù)載下的輸出效能調(diào)整到最佳化，那么由其供電的處理器，就可在最低功耗下發(fā)揮最大的效能。藉由檢視技術(shù)較先進(jìn)的PMIC產(chǎn)品內(nèi)建的直流對直流電源轉(zhuǎn)換器的暫態(tài)效能，可發(fā)現(xiàn)這些優(yōu)化的效能就能為數(shù)種不同運(yùn)作模式節(jié)省許多的電池壽命。

如圖1所示，一個(gè)整合型電源管理次系統(tǒng)，可提供一個(gè)具有成本效益及彈性的單晶片電源管理解決方案。它是特別針對一系列低功率可攜式消費(fèi)性產(chǎn)品的需求而設(shè)計(jì)，但同樣也適用于任何具有多媒體處理器的應(yīng)用。已有廠商推出可支援安謀國際（ARM）處理器運(yùn)作的PMIC，但同時(shí)也能支援大部分的應(yīng)用，以及各種低功耗多媒體應(yīng)用的核心行動(dòng)處理器。

圖1 高整合度PMIC系統(tǒng)電路圖

整合型PMIC助力實(shí)現(xiàn)低功耗處理器

直流對直流電源轉(zhuǎn)換器BuckWise技術(shù)，可以提供2.5安培（A）的輸出電流，它具備可程式化InstantConfig EEPROM引導(dǎo)程序配置、安全的即時(shí)時(shí)脈（RTC）、輔助性類比數(shù)位轉(zhuǎn)換器（ADC）、低功率32kHzRTC晶體振蕩器、I2C及DVS介面等各種優(yōu)勢的特性，除了能夠完全地量身訂制之外，尚可以產(chǎn)生高效率、可擴(kuò)充式的解決方案。

另一方面，直流對直流電源轉(zhuǎn)換器的效率，會(huì)因?yàn)檫\(yùn)作條件不同而改變。 因此，為進(jìn)行有效的比較，首先假設(shè)三種測試類別的系統(tǒng)電源效率為80%。實(shí)際的系統(tǒng)效率也會(huì)在稍后分析中有所考量，以顯示改變直流對直流電源轉(zhuǎn)換器模式的效益，將如何影響系統(tǒng)的電池壽命。

如圖2所示，在特定條件下，暫態(tài)響應(yīng)為±6毫伏特。因此就理論而言，應(yīng)用至處理器上的電壓水準(zhǔn)，將只會(huì)比所需要的電壓高出6毫伏特而已。而且，在相似的條件下，其他的PMIC可能有機(jī)會(huì)超過±30毫伏特。

由于處理器的功耗與電壓的平方成正比，因此可以很輕易預(yù)估出所增加的功耗。這也就表示，當(dāng)使用暫態(tài)效能較佳的直流對直流電源轉(zhuǎn)換器時(shí)，電池的使用壽命將會(huì)顯著增加。

設(shè)計(jì)人員若選擇使用具有多重運(yùn)作模式的PMIC，可以針對不同系統(tǒng)進(jìn)行最佳化。表1顯示在以上相同條件下，直流對直流電源轉(zhuǎn)換器在不同運(yùn)作模式下的暫態(tài)效能量測值。

本文顯示出直流對直流電源轉(zhuǎn)換器暫態(tài)效能與傳統(tǒng)PMIC解決方案，在節(jié)省功率及增加電池的壽命方面，是如何的不同。一顆PMIC中內(nèi)建數(shù)顆直流對直流電源轉(zhuǎn)換器，若單看一顆直流對直流電源轉(zhuǎn)換器，目前市場中已有先進(jìn)的技術(shù)能做到比一個(gè)傳統(tǒng)30毫伏特暫態(tài)效能的PMIC延長7.5%的電池壽命。

此外，這種電源節(jié)省并不須重新設(shè)計(jì)線路或增加任何元件，只須將直流對直流電源轉(zhuǎn)換器輸出電壓降至最低值就可以做

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