超低功耗FPGA和高效DC/DC转换器各显身手,满足便携设备节电需求

上网时间: 2006年06月01日? 作者:潘九堂? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:电源管理? FPGA? DC/DC转换器?

随着3G智能手机、PDA和便携媒体播放器(PMP)等多功能便携设备日益流行,电源管理成为了头等大事,半导体厂商纷纷从降低器件功耗、提高电源转换效率和电池利用率等方面入手,延长电池工作时间。可编程逻辑器件供应商QuickLogic最近推出了新一代超低功耗FPGA产品PolarPro系列,静态电流仅10μA,动态电流也仅15mA,可为多媒体处理器与外围无线/存储子系统提供智能桥接,宣称可使PMP实现长达10.8小时的播放。而德州仪器(TI)也推出了一款升降压DC/DC转换器TPS6300,可在1.8V至5.5V的输入电压范围内工作,以提高电池利用率,将电池工作时间延长20%。

FPGA桥接方案降低系统功耗和成本

继EclipseII后,QuickLogic又推出了新一代超低功耗FPGA产品PolarPro系列,以拓展FPGA在便携电子产品市场的应用。通过集成FPGA逻辑与嵌入式电路,PolarPro器件的电路实现了高速总线对总线接口、双端口SRAM模块以及共位异步FIFO控制器、高性价比DDR存贮器扩展以及时钟管理单元。

QuickLogic逻辑产品部总监Brian Fainth介绍说,全新的PolarPro系列增加了超低功耗(VLP)深度即时休眠的待机模式,该模式将功耗降低至10μA以下。与其它FPGA产品典型功耗值相比,PolarPro器件的功耗水平低于基于Flash的FPGA的1/1,000,低于基于SRAM的FPGA的1/10,000。在待机模式下,PolarPro系列产品对核心逻辑电路与输入输出管脚进行隔离,从而确保其在所有工作环境下都具有卓越的节能水平。

PolarPro的目标应用是为便携设备的多媒体处理器与外围子系统提供智能桥接,将许多基于PC架构的外设移植到便携设备上,从而降低系统成本,如基于miniPCI的Wi-Fi模块和基于PCI的10/100/1G以太网芯片,基于IDE的mini-HDD和DVD-ROM,基于SDIO的外设(Wi-Fi或SD存储器),而目前绝大部分嵌入式处理器没有自带的通用Wi-Fi套片和硬盘接口。

虽然目前处理器开始集成越来越多的接口,如SDIO、MMC和USB2.0,但Fainth解释说,处理器厂商有一个根本性的问题没有解决,那就是因为成本和功耗问题,只能选择支持某些接口;另外,因为技术的发展总是超过具体的产品,如果处理器提供的接口,无法跟上(接口)技术的发展(例如英特尔的PXA270大约4年前推出,没有人能够预测到4年以后消费者需要什么样的技术),处理器厂商唯一的办法是,让处理器针对一两个应用优化,然后和QuickLogic这样的厂商合作支持额外的应用,而不是提供所有接口。

QuickLogic表示,这实际上是一个分散管理和集中管理的理念,为了减轻处理器的负担,PolarPro不仅提供数据功能,同时提供一定的控制功能,处理器只需要发出一个指令,剩下的由PolarPro完成,PolarPro未来将向承担更多控制和管理功能的“协处理器”的角色发展。Fainth打比喻说,如果说处理器是CEO的话,那么PolarPro不再只是一个秘书,而是一个可以分担CEO部分工作的行政助理。

尽管不少FPGA厂商高调宣布进入消费电子市场,但Fainth表示,电线供电的消费电子产品对功耗要求不高,可以选用任何FPGA器件,但如果是电池供电的便携消费电子产品,PolarPro目前唯一的竞争对手是CPLD。不过他指出:“CPLD在控制层面功能强大,但由于CPLD没有数据功能,例如PMP,每次访问硬盘的时候,处理器都要卷入其中,结果是速度慢和处理器负担重;而PolarPro有FIFO,可以作为数据的路径,数据直接从硬盘经过PolarPro到达SDRAM,速度快而且处理器负担小。”

他表示,以PMP为例,基于CPLD的磁盘接口最高吞吐率1MB/s,而基于PolarPro的磁盘控制器支持12MB/s IDE磁盘吞吐率,降低了60%的磁盘负载周期,同时降低了处理器功耗,从而大幅降低系统功耗。他宣称,以Palm Life Drive这一款PMP为例(英特尔PXA270处理器、1英寸4GB磁盘),基于其它技术方案,1660mAh电池只能够支持2.5小时视频播放,而基于PolarPro技术的方案可播放长达10.8小时!

PolarPro系列提供512个到7,680个逻辑单元密度范围的器件,分别相当于7.5万个和100万个系统门。具有6?0个逻辑单元的QL1P100器件,已从去年12月起开始提供样片,PolarPro系列的其它型号将在今年中陆续开始提供样片。

升降压DC/DC转换器提高电池利用率

降低器件功耗,提高电池利用率可谓是在源头上解决便携设备电源管理问题。TI最近推出了一款升降压DC/DC转换器TPS6300,可在1.8V至5.5V的宽泛电压范围内实现高达96%的效率,并能够同时输出高达1.2A的输出电流,该产品可将3G智能手机、便携媒体播放器(PMP)及其它单节锂离子电池供电的多媒体设备的电池运行时间延长20%左右。

TI模拟资深技术销售李?林介绍说,目前锂电池的工作电压范围一般是2.5V/2.7V~4.2V,手机主芯片要求电压是3.3V,由于目前手机中使用的一般是标准3.3V降压转换器,因此很多情况下,特别是在一些要求更高的情况下,在电池电压降到3.0V或3.3V时手机就关断了。而TPS6300同时有升压降压功能,它能够在1.8V至5.5V的输入电压范围内工作,保持3.3V输出,因此与标准3.3V降压转换器相比可提供15%至25%的更长工作时间。李?林还指出:“未来的锂聚合物电池的工作电压为2.3V~4.5V,TPS6300同样可以支持。”

王剑补充说:“对于高端手机或者PMP等耗电设备,TPS6300能够凸显出优势。例如,一些高端手机会配硬盘,硬盘启动的一刹那会需要很大的电源,这个时候往往大的电源会把整个电池电压都拉下来,可能一下子会低于3.3V,或者低于整个系统和硬盘需要,这时候TPS63000可以发挥它的优势,在整个输入电压的全范围之内都可以完成供电能力。”

TPS63000采用3×3毫米10引脚无引线四方扁平(QFN)PowerPAD封装,固定工作频率为1.5MHz,从而能够使便携式应用设计师采用2.2μH电感器。TPS63000现已投入量产,TI还计划推出采用超小型芯片封装的TPS63000系列升降压转换器。

作者:潘九堂

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  • 关于电源管理
  • 电源管理是指如何将电源有效分配给系统的不同组件。电源管理对于依赖电池电源的移动式设备至关重要。通过降低组件闲置时的能耗,优秀的电源管理系统能够将电池寿命延长两倍或三倍。电源管理技术也称做电源控制技术,它属于电力电子技术的范畴,是集电力变换,现代电子,网络组建,自动控制等多学科于一体的边缘交叉技术,现已经广泛应用到工业,能源,交通,信息,航空,国防,教育,文化等诸多领域。

  • FPGA是什么
  • FPGA(Field Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列,它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的,既解决了定制电路的不足,又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。FPGA的使用非常灵活,同一片FPGA通过不同的编程数据可以产生不同的电路功能。FPGA在通信、数据处理、网络、仪器、工业控制、军事和航空航天等众多领域得到了广泛应用。随着功耗和成本的进一步降低,FPGA还将进入更多的应用领域。

  • 什么是DC/DC转换器
  • DC/DC转换器表示的是直流电源,诸如干电池或车载电池之类。家庭用的100V电源是交流电源(AC) 。若通过一个转换器能将一个直流电压(3.0V)转换成其他的直流电压(1.5V或5.0V),这个转换器被称为DC/DC转换器或称之为开关电源或开关调整器。
    DC/DC转换器一般由控制芯片,电感线圈,二极管,三极管,电容器构成。
    DC/DC转换器为转变输入电压后有效输出固定电压的电压转换器。DC/DC转换器分为三类:升压型DC/DC转换器、降压型DC/DC转换器以及升降压型DC/DC转换器。根据需求可采用三类控制。PWM控制型效率高并具有良好的输出电压纹波和噪声。PFM控制型即使长时间使用,尤其小负载时具有耗电小的优点。PWM/PFM转换型小负载时实行PFM控制,且在重负载时自动转换到PWM控制。目前DC-DC转换器广泛应用于手机、MP3数码相机便携式媒体播放器等产品中。

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