什么電路能提高電池壽命 LDO如何提供正確的電壓

你可能已經(jīng)在智能手機(jī)上播放過數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)視頻了。但是你有沒有想過，當(dāng)你按下“播放”鍵時(shí)會發(fā)生什么？

你一碰到那個(gè)小三角形，許多事情就同時(shí)發(fā)生了。在幾微秒內(nèi)，手機(jī)處理器上的空閑計(jì)算核心就開始活躍起來。當(dāng)他們這樣做時(shí)，其電壓和時(shí)鐘頻率會迅速上升，以確保視頻解壓縮和顯示不會延遲。同時(shí)，在后臺運(yùn)行任務(wù)的其他內(nèi)核也會減速。電荷涌進(jìn)有源磁芯的數(shù)百萬個(gè)晶體管中，而在新閑置的晶體管中，電荷則逐漸變慢。

這種被稱為動態(tài)電壓和頻率縮放（dynamic voltage and frequency scaling，DVFS）的“動作”不斷地發(fā)生在處理器（稱為片上系統(tǒng)（SoC））中，它運(yùn)行著你的手機(jī)和筆記本電腦以及支持它們的服務(wù)器。

這一切都是為了平衡計(jì)算性能和功耗，這對智能手機(jī)來說尤其具有挑戰(zhàn)性。盡管有電流浪涌，協(xié)調(diào)DVF的電路仍努力確保穩(wěn)定的時(shí)鐘和堅(jiān)如磐石的電壓水平 —— 但這部分也是設(shè)計(jì)中最累人的。

這主要是因?yàn)闀r(shí)鐘生成和電壓調(diào)節(jié)電路是模擬的，這與智能手機(jī)SoC上的幾乎所有其他電路不同。由于半導(dǎo)體制造業(yè)的進(jìn)步，我們已經(jīng)習(xí)慣于近一年一次的新處理器的更新 —— 新處理器的計(jì)算能力大大提高。

將一個(gè)數(shù)字設(shè)計(jì)從一個(gè)舊的半導(dǎo)體工藝移植到一個(gè)新的工藝上絕非易事，但與嘗試將模擬電路轉(zhuǎn)移到一個(gè)新工藝相比，這算不了什么。支持DVFS的模擬組件，特別是一種稱為低壓差穩(wěn)壓器（low-dropout voltage regulator，LDO）的電路，不像數(shù)字電路那樣會縮小規(guī)模，基本上每新一代都必須從頭開始重新設(shè)計(jì)。

如果我們可以用數(shù)字元件代替LDO或其他模擬電路，那么它們的移植難度將大大低于處理器的任何其他部分，從而節(jié)省了大量的設(shè)計(jì)成本，并幫助工程師能夠解決尖端芯片設(shè)計(jì)所面臨的其他問題。

此外，由此產(chǎn)生的數(shù)字LDO可能比模擬LDO小得多，并且在某些方面性能更好。在過去的幾年里，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究小組已經(jīng)測試了至少12種設(shè)計(jì)，盡管存在一些缺點(diǎn)，但一種商業(yè)上有用的數(shù)字LDO可能很快就會實(shí)現(xiàn)。

低壓差電壓調(diào)節(jié)器（LDO）允許同一輸入電壓軌（VIN）上的多個(gè)處理器內(nèi)核根據(jù)其工作負(fù)載在不同的電壓下工作。在這種情況下，Core 1具有最高的性能要求。它的頭部開關(guān)，實(shí)際上是一組并聯(lián)的晶體管，是閉合的，繞過LDO并直接將Core 1連接到VIN，VIN由外部電源管理IC提供。但是，Cores 2到4的工作負(fù)載要求較低。他們的LDO被用于為磁芯提供電壓，以節(jié)省電力。

基本模擬低壓差穩(wěn)壓器［左］通過反饋回路控制電壓。它試圖通過控制通過功率PFET的電流，使輸出電壓（VDD）等于參考電壓。在基本數(shù)字設(shè)計(jì)中［右］，一個(gè)獨(dú)立的時(shí)鐘觸發(fā)一個(gè)比較器［三角形］，該比較器將參考電壓與VDD進(jìn)行比較。結(jié)果告訴控制邏輯需要激活多少功率PFET。

智能手機(jī)典型的片上系統(tǒng)是集成的奇跡。在一塊硅片上，它集成了多個(gè)CPU核、圖形處理單元、數(shù)字信號處理器、神經(jīng)處理單元、圖像信號處理器以及調(diào)制解調(diào)器和其他專用邏輯塊。

當(dāng)然，提高驅(qū)動這些邏輯塊的時(shí)鐘頻率會提高它們完成工作的速率。但要以更高的頻率工作，它們還需要更高的電壓。沒有這一點(diǎn)，晶體管就無法在處理器時(shí)鐘的下一個(gè)滴答聲之前打開或關(guān)閉。

當(dāng)然，更高的頻率和電壓是以功耗為代價(jià)的。因此，這些核心和邏輯單元動態(tài)地改變它們的時(shí)鐘頻率和電源電壓，通常在0.95到0.45伏之間——根據(jù)它們在分配給它們的任何工作負(fù)載中所需的能量效率和性能平衡，拍攝視頻、播放音樂文件、在通話中傳輸語音等等。

通常，外部電源管理IC為手機(jī)SoC生成多個(gè)輸入電壓（VIN）值。這些電壓沿著稱為軌道的寬互連線傳輸?shù)絊oC芯片的各個(gè)區(qū)域。但是，電源管理芯片和SoC之間的連接數(shù)量是有限的。因此，SoC上的多個(gè)核必須共享同一VIN軌。

但由于低壓差穩(wěn)壓器，它們不必都獲得相同的電壓。LDO和專用時(shí)鐘發(fā)生器允許共享軌道上的每個(gè)磁芯以獨(dú)特的電源電壓和時(shí)鐘頻率運(yùn)行。需要最高電源電壓的磁芯決定共享VIN值。電源管理芯片將VIN設(shè)置為該值，該核心通過稱為頭開關(guān)的晶體管完全繞過LDO。

為了將功耗保持在最低限度，其他內(nèi)核可以在較低的電源電壓下工作。軟件決定了這個(gè)電壓應(yīng)該是多少，模擬LDO在提供這個(gè)電壓方面做得很好。它們結(jié)構(gòu)緊湊，制造成本低，集成在芯片上相對簡單，因?yàn)樗鼈儾恍枰蟮?a target="_blank">電感器或電容器。

但這些LDO只能在特定的電壓窗口中工作。On the high end，目標(biāo)電壓必須低于VIN和LDO本身壓降之間的差值（同名“壓降”電壓）。例如，如果堆芯最有效的電源電壓為0.85 V，但VIN為0.95 V，LDO的漏失電壓為0.15 V，則該堆芯無法使用LDO達(dá)到0.85 V，必須在0.95 V下工作，從而浪費(fèi)一些電源。類似地，如果VIN已設(shè)置為低于某個(gè)電壓限制，LDO的模擬組件將無法正常工作，電路也無法接合以進(jìn)一步降低堆芯電源電壓。

迄今為止，限制數(shù)字LDO使用的主要障礙是緩慢的瞬態(tài)響應(yīng)。

但是，如果所需電壓落在LDO窗口內(nèi)，軟件將啟用電路并激活等于目標(biāo)電源電壓的參考電壓。

LDO如何提供正確的電壓？

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