移動(dòng)設(shè)備使用下MEMS晶振的睡眠及活動(dòng)狀態(tài)
來(lái)源：http://www.hhamai.cn 作者：金洛鑫電子 2019年09月11
我們最熟悉的移動(dòng)設(shè)備產(chǎn)品莫過(guò)于智能手機(jī)了,在生活上,工作中我們都離不開一部手機(jī),而且現(xiàn)在智能手機(jī)價(jià)位要不同階段,早已不是什么奢侈器,基本上都是人手一部了.智能手機(jī)是消耗晶振比較多的產(chǎn)業(yè),因其需求量極大,且使用的晶體晶振類型眾多,從普通的石英晶體到MEMS晶振,不同的手機(jī)廠商采用的晶體和振蕩器都不一樣,近年來(lái)更傾向于使用MEMS振蕩器.有實(shí)驗(yàn)表明,無(wú)論手機(jī)是處于睡眠狀態(tài)還是活動(dòng)狀態(tài),MEMS 0scillator都有助于延長(zhǎng)使用壽命.
隨著越來(lái)越復(fù)雜的智能手機(jī)和移動(dòng)設(shè)備提供更多功能以及對(duì)數(shù)據(jù),新聞和娛樂(lè)的無(wú)限制即時(shí)訪問(wèn),消費(fèi)者花費(fèi)更多時(shí)間使用他們的設(shè)備.用戶要求更快的連接性,多核Ghz+應(yīng)用處理器和高清分辨率觸摸屏,同時(shí)希望在單次電池充電時(shí)能夠持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間.移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮如何滿足延長(zhǎng)電池壽命的沖突要求,同時(shí)支持更快,更耗電的處理器和LCD屏幕.設(shè)計(jì)選項(xiàng)通常分為兩大類:1.降低總體功耗,或2.增加電池容量.
降低功耗的一種技術(shù)是關(guān)閉具有最高電流消耗的功能模塊,并在器件處于非活動(dòng)狀態(tài)時(shí)切換到最低功耗暫停/休眠狀態(tài).但是,在低功耗狀態(tài)期間,始終開啟的時(shí)鐘繼續(xù)消耗電池電量.新的基于MEMS時(shí)鐘振蕩器的計(jì)時(shí)解決方案提供獨(dú)特的節(jié)能策略,具有可編程輸出頻率和輸出驅(qū)動(dòng)擺幅水平.這些定時(shí)器件的核心電流僅為750nA,可以使用不受控制的鋰離子電池或穩(wěn)壓電源,從而為移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)人員帶來(lái)更多選擇.
移動(dòng)設(shè)備電源管理概述
移動(dòng)無(wú)線設(shè)備的基本架構(gòu)如圖1所示.根據(jù)移動(dòng)設(shè)備架構(gòu)的實(shí)現(xiàn),電源管理功能分布在應(yīng)用和RF基帶處理器和/或?qū)Ｓ肞MIC(電源管理IC)上.鑒于其尺寸限制和性能要求,這些模塊采用CMOS亞微米技術(shù)實(shí)現(xiàn).
圖1:顯示智能手機(jī)高級(jí)架構(gòu)的方框圖
CMOSSoC(片上系統(tǒng))的功耗可通過(guò)以下公式量化:
P=C*V^2*F(1)
p是以瓦特為單位的功率;v是SoC單個(gè)電源軌(VDD)的DC電壓;c是懸掛在VDD電源總線上的固有電容.每個(gè)SoC內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜模塊由多個(gè)VDD軌供電,晶振電壓范圍為1.0V至4.3V
基本電源管理功能的實(shí)現(xiàn)方式如下:
在以下狀態(tài)之一之間切換系統(tǒng):活動(dòng),暫停睡眠.
【活動(dòng)狀態(tài)】
通過(guò)使用一種稱為動(dòng)態(tài)電壓和頻率縮放(DVFS)的技術(shù),可以在活動(dòng)狀態(tài)下優(yōu)化功耗.根據(jù)等式(1),功耗降低為較低VDD軌電壓的平方.同樣,根據(jù)SoC制造中部署的工藝節(jié)點(diǎn),降低工作頻率以線性縮減功耗.應(yīng)用處理器和射頻基帶處理器是主要的處理單元,消耗的電池電量最高.這些處理SOC通過(guò)與PMIC或片內(nèi)電源管理模塊通信命令來(lái)控制DVFS功能,從而實(shí)現(xiàn)最高效率.PMIC的基本功能塊如圖2所示.PMIC功能可以實(shí)現(xiàn)為獨(dú)立芯片,或者可以作為嵌入塊分布在移動(dòng)電話的處理單元中.
圖2:圖-2:PMIC的功能框圖
處理模塊/SoC通過(guò)I2C總線或類似總線(例如SM總線)將系統(tǒng)狀態(tài)傳送到PMIC.PMICLDO和SMPS模塊提供系統(tǒng)電源需求所需的MEMS可編程振蕩器穩(wěn)壓電壓.
【暫停狀態(tài)】
當(dāng)移動(dòng)設(shè)備在預(yù)定(用戶配置的)時(shí)間內(nèi)不活動(dòng)或者當(dāng)用戶啟動(dòng)時(shí),進(jìn)入掛起狀態(tài):
1.沒(méi)有與觸摸屏或按鈕的用戶界面交互
2.沒(méi)有來(lái)電或數(shù)據(jù)通信
3.用戶按下電源/暫停鍵強(qiáng)制進(jìn)入暫停狀態(tài)
在這種狀態(tài)下,主處理單元在最低允許VDD內(nèi)核電壓和時(shí)鐘頻率下工作,頻率降至零赫茲.液晶屏關(guān)閉,觸摸傳感器每百毫秒喚醒一次,以檢測(cè)用戶觸摸交互.蜂窩調(diào)制解調(diào)器等通信外圍設(shè)備處于最低功率狀態(tài),可能會(huì)被外部事件中斷.運(yùn)行在32.768K時(shí)鐘源上的PMIC是在這種低功耗狀態(tài)下唯一完全活躍的器件.32千赫時(shí)鐘的功能之一是作為定時(shí)器,在無(wú)線局域網(wǎng)要求或電源管理方案規(guī)定的預(yù)定時(shí)間喚醒外圍設(shè)備.
在掛起狀態(tài)下,系統(tǒng)功耗是由于:
1.主處理SOc的泄漏電流
2.外圍設(shè)備(觸摸屏、無(wú)線射頻前端等)的掛起狀態(tài)功耗.)
3.PMIC在32千赫時(shí)鐘下的功耗
暫停狀態(tài)下總功率預(yù)算的主要貢獻(xiàn)者是PMIC、32.768K振蕩器、實(shí)時(shí)傳輸控制模塊和無(wú)線局域網(wǎng)連接的功耗.
【睡眠狀態(tài)】
這是最低功率狀態(tài).除了由PMIC的32千赫設(shè)備和實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊計(jì)時(shí)的監(jiān)控電路外,所有設(shè)備都將關(guān)閉.為了延長(zhǎng)電池的待機(jī)壽命,必須采用創(chuàng)造性的策略來(lái)切斷處于掛起和睡眠狀態(tài)的活動(dòng)模塊的微瓦功率.無(wú)論電源狀態(tài)如何,32千赫貼片振蕩器總是接通時(shí)鐘電源、電池管理模塊和無(wú)線局域網(wǎng).在掛起狀態(tài)下,電流消耗通常為微安.與活動(dòng)狀態(tài)下峰值電流的短脈沖相比,鋰化學(xué)電池在長(zhǎng)時(shí)間的低電流消耗(典型的掛起/睡眠狀態(tài))期間會(huì)釋放更多的電池容量.
隨著越來(lái)越復(fù)雜的智能手機(jī)和移動(dòng)設(shè)備提供更多功能以及對(duì)數(shù)據(jù),新聞和娛樂(lè)的無(wú)限制即時(shí)訪問(wèn),消費(fèi)者花費(fèi)更多時(shí)間使用他們的設(shè)備.用戶要求更快的連接性,多核Ghz+應(yīng)用處理器和高清分辨率觸摸屏,同時(shí)希望在單次電池充電時(shí)能夠持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間.移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)人員必須仔細(xì)考慮如何滿足延長(zhǎng)電池壽命的沖突要求,同時(shí)支持更快,更耗電的處理器和LCD屏幕.設(shè)計(jì)選項(xiàng)通常分為兩大類:1.降低總體功耗,或2.增加電池容量.
降低功耗的一種技術(shù)是關(guān)閉具有最高電流消耗的功能模塊,并在器件處于非活動(dòng)狀態(tài)時(shí)切換到最低功耗暫停/休眠狀態(tài).但是,在低功耗狀態(tài)期間,始終開啟的時(shí)鐘繼續(xù)消耗電池電量.新的基于MEMS時(shí)鐘振蕩器的計(jì)時(shí)解決方案提供獨(dú)特的節(jié)能策略,具有可編程輸出頻率和輸出驅(qū)動(dòng)擺幅水平.這些定時(shí)器件的核心電流僅為750nA,可以使用不受控制的鋰離子電池或穩(wěn)壓電源,從而為移動(dòng)設(shè)備設(shè)計(jì)人員帶來(lái)更多選擇.
移動(dòng)設(shè)備電源管理概述
移動(dòng)無(wú)線設(shè)備的基本架構(gòu)如圖1所示.根據(jù)移動(dòng)設(shè)備架構(gòu)的實(shí)現(xiàn),電源管理功能分布在應(yīng)用和RF基帶處理器和/或?qū)Ｓ肞MIC(電源管理IC)上.鑒于其尺寸限制和性能要求,這些模塊采用CMOS亞微米技術(shù)實(shí)現(xiàn).
圖1:顯示智能手機(jī)高級(jí)架構(gòu)的方框圖
P=C*V^2*F(1)
p是以瓦特為單位的功率;v是SoC單個(gè)電源軌(VDD)的DC電壓;c是懸掛在VDD電源總線上的固有電容.每個(gè)SoC內(nèi)部實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜模塊由多個(gè)VDD軌供電,晶振電壓范圍為1.0V至4.3V
基本電源管理功能的實(shí)現(xiàn)方式如下:
在以下狀態(tài)之一之間切換系統(tǒng):活動(dòng),暫停睡眠.
【活動(dòng)狀態(tài)】
通過(guò)使用一種稱為動(dòng)態(tài)電壓和頻率縮放(DVFS)的技術(shù),可以在活動(dòng)狀態(tài)下優(yōu)化功耗.根據(jù)等式(1),功耗降低為較低VDD軌電壓的平方.同樣,根據(jù)SoC制造中部署的工藝節(jié)點(diǎn),降低工作頻率以線性縮減功耗.應(yīng)用處理器和射頻基帶處理器是主要的處理單元,消耗的電池電量最高.這些處理SOC通過(guò)與PMIC或片內(nèi)電源管理模塊通信命令來(lái)控制DVFS功能,從而實(shí)現(xiàn)最高效率.PMIC的基本功能塊如圖2所示.PMIC功能可以實(shí)現(xiàn)為獨(dú)立芯片,或者可以作為嵌入塊分布在移動(dòng)電話的處理單元中.
圖2:圖-2:PMIC的功能框圖
【暫停狀態(tài)】
當(dāng)移動(dòng)設(shè)備在預(yù)定(用戶配置的)時(shí)間內(nèi)不活動(dòng)或者當(dāng)用戶啟動(dòng)時(shí),進(jìn)入掛起狀態(tài):
1.沒(méi)有與觸摸屏或按鈕的用戶界面交互
2.沒(méi)有來(lái)電或數(shù)據(jù)通信
3.用戶按下電源/暫停鍵強(qiáng)制進(jìn)入暫停狀態(tài)
在這種狀態(tài)下,主處理單元在最低允許VDD內(nèi)核電壓和時(shí)鐘頻率下工作,頻率降至零赫茲.液晶屏關(guān)閉,觸摸傳感器每百毫秒喚醒一次,以檢測(cè)用戶觸摸交互.蜂窩調(diào)制解調(diào)器等通信外圍設(shè)備處于最低功率狀態(tài),可能會(huì)被外部事件中斷.運(yùn)行在32.768K時(shí)鐘源上的PMIC是在這種低功耗狀態(tài)下唯一完全活躍的器件.32千赫時(shí)鐘的功能之一是作為定時(shí)器,在無(wú)線局域網(wǎng)要求或電源管理方案規(guī)定的預(yù)定時(shí)間喚醒外圍設(shè)備.
在掛起狀態(tài)下,系統(tǒng)功耗是由于:
1.主處理SOc的泄漏電流
2.外圍設(shè)備(觸摸屏、無(wú)線射頻前端等)的掛起狀態(tài)功耗.)
3.PMIC在32千赫時(shí)鐘下的功耗
暫停狀態(tài)下總功率預(yù)算的主要貢獻(xiàn)者是PMIC、32.768K振蕩器、實(shí)時(shí)傳輸控制模塊和無(wú)線局域網(wǎng)連接的功耗.
【睡眠狀態(tài)】
這是最低功率狀態(tài).除了由PMIC的32千赫設(shè)備和實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊計(jì)時(shí)的監(jiān)控電路外,所有設(shè)備都將關(guān)閉.為了延長(zhǎng)電池的待機(jī)壽命,必須采用創(chuàng)造性的策略來(lái)切斷處于掛起和睡眠狀態(tài)的活動(dòng)模塊的微瓦功率.無(wú)論電源狀態(tài)如何,32千赫貼片振蕩器總是接通時(shí)鐘電源、電池管理模塊和無(wú)線局域網(wǎng).在掛起狀態(tài)下,電流消耗通常為微安.與活動(dòng)狀態(tài)下峰值電流的短脈沖相比,鋰化學(xué)電池在長(zhǎng)時(shí)間的低電流消耗(典型的掛起/睡眠狀態(tài))期間會(huì)釋放更多的電池容量.
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