采用降压转换器进行动态电压控制，降低便携功耗

手机在传统的2G技术基础上的2.5G (GPRS)、2.75G (EDGE)和3G乃至更先进技术的手机所占的比例越来越高。这些较新或最新型手机的一个共同点，便是在传统的语音通话等基本功能之外，又或多或少地集成了其它的功能，如MP3播放、拍照、视频播放、游戏、移动电视和GPS等。另一方面，手机的屏幕也越来越大。这些功能或特色为手机带来了更大的功率需求。

但是，手机等便携产品所用电池在技术和商业应用方面的速度远远跟不上新型手机的功能集成及其所带来的功率增加速度。也就是说，手机可用电池电能与新功能所要求的额外电量之间存在着很大的差距，这导致新功能手机在通话时间和电池使用时间上普遍地较较老的2G手机逊色。

因此，横亘在工程师面前的是两项挑战：一是适应高集成度的趋势，二是延长电池使用时间。在现有电池技术没有根本性突破的情况下，电池的电量得不到大幅提升，因此，只能在降低手机不同功能的功率消耗方面下功夫。也就是说，低功耗设计对于成功的便携设计而言越来越关键。

手机不同功能的功耗及降耗方法

手机包含不同的功能模块，如调制解调器(MODEM)和射频放大器、处理器、存储器、音频、显示和背光及其他功能。不同功能模拟的功率消耗也各不相同。以一部智能手机为例，手机MODEM和射频放大器这部分的电流消耗非常可观，特别是射频放大器要求很高峰值电流，因此这总分消耗的手机电池电量比任何其它部件都多，大约相当于总量的40%。

此外，主处理器需要运行操作系统，负责整个系统的控制，这部分的功率消耗约占总功耗的20%。此外，音频和用户界面(显示和背光)各自约占10%的功耗。余下的则为存储器和其它功率消耗。

图1显示了智能手机各个部分的功率消耗所占比例。要实现成功的低功耗设计，就需要分析和充分利用各个部分的降耗潜力。对于手机MODEM、RF放大器和音频而言，受噪声约束和最低电压要求等限制，这些占总功耗50%的功耗难以减少。我们需要在剩余的部分中挖掘潜力。其中，就处理器和存储器而言，二者占总功耗的27%，如果能够减小这部分的功耗，对减少总体功耗也就会有所助益。

图1 智能手机中各个功能部分的功率消耗占总功耗的比例

那么，对于处理器和存储器这样的数字CMOS芯片而言，可以采用什么样的方法来降低功耗呢?主要包括两方面，一方面是通过空闲和休眠等模式来进行数字功率控制，也就是功率管理器件通过空闲、休眠和快速唤醒模式来节省功耗，只有在需要时才会相应的功能模拟供电。另一方面就是采用动态功率控制，也就是将内核频率与内核电压结合起来进行动态调节，以此显著降低功耗。

图2显示的是描述动态功耗的简单公式，其中P为动态功耗，C为负载电容，V为工作电压，f则为工作频率。需要指出的是，这个公式并未将晶体管泄漏考虑在内，且C值也比较难以估计。

图2 描述动态功耗的简单公式

动态频率与电压调节的工作流程及示例

对于同一芯片而言，其频率越高，需要的电压也越高。从图2所示的公式可以看出，单纯降低频率可以降低功率，但对于一个给定任务而言，消耗的总能量E等于功率P与时间t之乘积，而频率与时间之乘积f×t是一个常量，所以这样并不能真正地降低能量消耗。与之不同的是，我们可以进行动态频率与电压调节(DVFS)。这种方法既要降低频率，又要降低电压。由于电压相对于动态功率的二次方的关系，DVFS这种方法所能够带来的节能效果会比较明显。

要让DVFS发挥作用，真正地实现节能，单纯只有处理器芯片的支持是不够的，需要采用结构软件与硬件的系统途径来实现。通常情况下，我们可以采用固件流程来操作DVFS硬件，而由软件来计算负载并使负载满足实时操作要求。

一个典型DVFS系统的工作流程如下：

1) 采集与系统负载有关的信号，计算当前的系统负载。

2) 根据系统的当前负载，预测负载系统在下一时间段需要的性能。

3) 将预测的性能转换成需要的频率，从而调整芯片的时钟设置。

4) 根据新的频率来计算相应的电压，并通知电源管理模块来调整给处理器的电压。

需要说明的是，在步骤2需要预测下一时间段需要的性能/功率需求时，可以采取不同的算法。这其中既包括复杂算法，也包括简单算法。在复杂算法方面，有如ARM开发的自动性能调节和智能能量管理(IEM)算法，但需要系统级芯片(SoC)和固件。简单算法则包括实时数据快速傅立叶变换(FFT)等算法。以FFT算法为例，它由缓冲器将数据输入至内存，而由固件来监测缓冲大小。此外，如图3所示，通过建立功率需求模型，可以预测典型便携应用时的功率需求。

图3 GSM 电话受话时的功率序列

而对于步骤4而言，这里需要特别的电源管理芯片，从而更好地来对处理器的电压进行调节。

在这里，我们以采用XScale PXA270应用处理器的智能手机应用为例，看DVFS技术如何能够帮助降低处理器的功耗。XScale PXA270是一款采用ARM内核微架构的应用处理器，它采用了SpeedStep动态电源管理技术，在保护CPU性能的情况下，能够最大限度地降低移动设备的功耗。SpeedStep就是英特尔开发的一种支持动态电压和频率调节的节能技术。

图4显示的是对处理器从满载到中等负载及从中等负载到轻载进行转换的示例。在第一个过程中。电压变化(DV)和频率变化(DV)分别为-100mV和-200MHz，而产生的功率变化(DP)则为-450mW，下降比例达50%;第二个过程的DV和Df分别为-200mV和-450MHz，而DP则为-410mW，下降比例高达91%。

图4 使用DVFS技术对处理器的电压和频率进行调节的示例

总而言之，采用DVFS方法可以实现显著的功耗降低。但给于给定任务而言，调整频率可能会影响处理时间，这是一个必须予以考虑的因素。另外，若在执行实时任务或通信任务，则要审慎使用动态频率调节，仅进行电压调节;在其它情形下，则同时进行电压和频率调节。因此，对于软件工程师来说，需要集成DVFS工具，评估传统编程结构，并集成“处理能力需求计算/预测”算法。

采用安森美半导体降压转换器来实现动态电压调节

如上所述，DVFS工作流程的第4步是根据新的频率来计算相应的电压，并通知电源管理模块来调节给处理器的电压。在这个过程中，安森美半导体支持DVFS功能的两款DC-DC降压转换器芯片NCP1521B和NCP1532可以提当重任。

NCP1521B是一款1.5 MHz、600 mA降压DC-DC转换器。它是一款单片集成电路，针对采用单节锂离子电池到三节碱/镍铬/镍氢电池供电的便携应用进行了优化。在脉冲宽度调制(PWM)模式，这器件能够提供容限为3%的电压和90%乃至更高的能效。在负载电流降低的条件下，这器件会自动切换到脉冲频率调制(PFM)模式，以降低电流消耗和延长电池使用时间。

图5所示的是支持DVFS功能的NCP1521B DC-DC降压转换器的电路示意图。从图中可以看出，它增加了开关以动态地控制输出电压，而两位(b0, b1)则专门用于修改外部电阻电桥比，从而使输出电压在0.95 V到1.25 V之间调节。而图6显示的则是NCP1521B在低成本智能电话中的应用示例。

图5 带DVFS功能的NCP1521B DC-DC转换器的电路示意图

图6 采用安森美半导体NCP1521B单降压转换器的低成本应用示例

结语

随着集成的新功能越来越多，手机等便携产品的功率需求越来越大。在电池电量还不能获得突破性提高的情况下，分析清楚手机各部分的功率需求及降低功率需求潜力成为了实现成功的手机设计的一项重要因素。相对于手机MODEM和RF放大器等不易降低功耗的部分，存储器和处理器等数字芯片可以通过动态电压和频率调节(DVFS)技术来实现较为明显的功率下降，从而实现更好的节能，延长便携产品的电池使用时间。集成DVFS功能需要掌握处理器的性能预测相关知识，以降低内核的频率和电压。特别是DVFS应用可配合单降压转换器和双降压转换器来投入运用，从而提供低成本、高能效的便携解决方案。