便攜式產(chǎn)品低功耗電路設(shè)計(jì)的分析與發(fā)展趨勢

低成本的塑料封裝不能適應(yīng)高集成度IC的高功率特性要求，這迫使其采用具有熱量管理功能的昂貴封裝或其它更復(fù)雜的冷卻系統(tǒng)。

低功率電路的實(shí)現(xiàn)方案

IC工業(yè)正尋求多種途徑來滿足低功率系統(tǒng)要求，其中一個(gè)途徑是將數(shù)字器件的工作電壓從5V變?yōu)?.3V，將模擬器件的電源電壓從±15V變?yōu)?V單電源。這些改變歸功于先進(jìn)的硅片技術(shù)與電路結(jié)構(gòu)。Atmel公司市場部副總裁Katz說，未來數(shù)字芯片工作電壓的發(fā)展趨勢將是2.5V、1.8V甚至更低的電壓，它們均是0.9V(電池電壓的最低極限)的倍數(shù)。器件的復(fù)雜度、更高的工作頻率和器件物理性質(zhì)將共同促進(jìn)這一發(fā)展趨勢，屆時(shí)亞微米幾何尺寸的更小型器件所具有的較薄氧化層將難以承受更高的電源電壓。

ASIC廠商為滿足低功率系統(tǒng)要求，還會(huì)采取在產(chǎn)品中增加3V內(nèi)核單元和宏的方法。這些產(chǎn)品經(jīng)過優(yōu)化能同時(shí)工作在3V或5V電源下，并具有相同的性能指標(biāo)，利用特殊的接口單元，它們?nèi)员Ａ粲?V電源接口。據(jù)ATT貝爾實(shí)驗(yàn)室的Harrington說，影響供電電壓快速更新?lián)Q代的最大障礙在于，現(xiàn)有的大量系統(tǒng)都采用5V電源，這些系統(tǒng)要求產(chǎn)品保留與其它5V(TTL)接口的后向兼容性。

此外，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，粗略評估速度，并在可能的情況下適當(dāng)改變元件的選擇，也可以降低功率。

下列方案可供選擇：

1. 降低工作電壓。當(dāng)電壓從5V降低為3V時(shí)功耗將減少60%。

2. 采用智能電源。在系統(tǒng)中增加適當(dāng)?shù)闹悄茴A(yù)測、檢測，并僅在需要時(shí)才對系統(tǒng)供電。許多膝上型電腦及其電源管理就具有這種特殊的機(jī)制，只給需要工作的電路加電，并在不必要時(shí)降低時(shí)鐘速率。

3. 采用較低的時(shí)鐘速率。由于CMOS電路中功率是開關(guān)頻率的函數(shù)，因此較低的時(shí)鐘速率下器件的功耗也較小。

4. 對輸入信號作出限制。在模擬電路(包括A/D轉(zhuǎn)換器)中，限制輸入信號的帶寬有助于減少對高速電路的要求，如果有可能降低A/D轉(zhuǎn)換器的速率,也能減少功耗。

5. 對I/O進(jìn)行設(shè)置，使它只在工作時(shí)消耗功率。但從不工作狀態(tài)到工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換需要較長的時(shí)間，另外一個(gè)副作用是可能產(chǎn)生與輸出電路有關(guān)的額外漏電流，使輸出電壓降至電源的一半，并使其它輸出電路處于很高的漏電交叉工作區(qū)域。

6. 擴(kuò)大輸出范圍。對于許多ASIC來說，設(shè)計(jì)輸出電路僅用于驅(qū)動(dòng)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)IC。通過重新調(diào)整電路使其足以驅(qū)動(dòng)封裝和板上的寄生元件，并留出風(fēng)扇負(fù)載的安全余量，這樣可以減小輸出電路尺寸和功率。

7. 改用其它技術(shù)。BiCMOS電路綜合了CMOS器件和雙極性器件的優(yōu)點(diǎn)，它是工藝復(fù)雜性更高以及成本更高的最佳折衷方案。GaAs器件也能滿足較低功耗和較高速度的要求，適用于那些以速度為主要設(shè)計(jì)目標(biāo)的高價(jià)系統(tǒng)。

半導(dǎo)體制造商正在開發(fā)新的設(shè)計(jì)技術(shù)以滿足特殊功率要求，同時(shí)仍保證電路的性能指標(biāo)要求。摩托羅拉半導(dǎo)體公司應(yīng)用工程師Pivot說，最終的目標(biāo)是電路工作電壓小于1V，最后的極限值將取決于決定器件最小尺寸的器件工藝水平。低功率電路仍是人們需要深入調(diào)查研究的對象，在提高性能的同時(shí)降低功耗將是他們努力實(shí)現(xiàn)的目標(biāo)。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)者必須具備在有限的功率指標(biāo)下實(shí)現(xiàn)更高電路性能的能力，另外還要滿足基本的系統(tǒng)性能指標(biāo)要求、成本目標(biāo)和上市時(shí)間要求。不過，設(shè)計(jì)者仍需要仔細(xì)分析系統(tǒng)中所有部件的功率情況。用于優(yōu)化功耗設(shè)計(jì)的新工具和新技術(shù)有助于改善設(shè)計(jì)環(huán)境，并使設(shè)計(jì)者的工作更加輕松。