PDF《利用 MAX II CPLD,实现便携式 系统的功耗管理》

Altera 公司

1 AN-422-1.

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422 利用 MAX II CPLD,实现便携式 系统的功耗管理 引言 便携式系统设计人员最关心怎样降低电池供电系统中所有元件的静态和动 态电流.本应用笔记重点介绍 MAX? II CPLD 非常低的静态和动态功耗性 能,回顾能够使 MAX II 器件达到零待机电流的电路设计方法.此外,MAX II 器件还可以用作智能功耗控制管理器,控制系统其他部分的上电和关 电,实现零功耗. 电池供电便携 式应用 在所有的电子设备中,功耗管理都非常关键,在便携式电池供电应用中这 一问题尤其突出.最早的便携式电子设备包括计算器和收音机,近十年来 已经发展为蜂窝电话、个人数字助理 (PDA) 和MP3 播放器等流行的产品. 便携功能不仅仅体现在消费类小产品上,许多商用设备也越来越多的采用 了便携功能: 条形码扫描器 销售点终端 征税终端 电子收费读卡器 PIN 识别系统 射频识别设备 (RFID) 读卡器 / 扫描器 随着蓝牙、无线保真 (WiFi) 和802.11e 等无线标准的引入,许多工业应 用不再受限于有线连接或者供电系统.无线革命促进了以下便携式工业应 用的发展: 气体和有害物质传感器 全球定位系统 (GPS) 库存监控 产品线和监视摄像机 应变和应力仪 远程操作终端 虚拟专用网 测试测量设备 散热和空调 (HVAC) 监视控制系统 许多这类应用都是电池供电的.理想的电池是碱性电池、NiCad 以及锂聚 合物电池.这些电池支持的工作电压范围在 3.2V( 充满电时 ) 至2.2V( 放 电时 ) 之间.在印刷电路板 (PCB) 上,工作范围最宽的器件效率也最高. 本应用笔记介绍 MAX II CPLD 在电池供电便携式应用中的功耗优势,还介 绍了 MAX II CPLD 系统中实现最佳功耗管理的参考电路和设计方法.

2006 年6月,1.0 版2Altera 公司 Preliminary 利用 MAX II CPLD,实现便携式系统的功耗管理 便携式系统中 的功耗管理 功耗管理不是简单的获得最小待机功耗.功耗设计中有三个方面需要考 虑:泄漏、简单性以及转换. 减少泄漏是系统设计人员最直接的功耗管理目标.功率泄漏有两个基本构 成:静态功耗和动态功耗.在大多数应用中,动态功耗对于延长电池使用 时间非常重要,而在某些应用中,静态功耗则更重要一些.对于电池供电 不方便,设备只是偶尔运行的情况,静态功耗是最重要的因素.静态功耗 比较重要的例子是远程 HVAC 控制面板.HVAC 控制面板只是偶尔使用,大 部分时间处于休眠状态.动态功耗比较重要的例子是工业 PDA.PDA 处理 器、显示器和背光光源都是必不可少的,是功耗的主要来源;

而其他部分 对总功耗和电池使用时间的贡献不大.而且,在PDA 应用中,对电池使用 时间进行优化,设备在电池放电期间工作,电池待机时间并不是大问题. 简单是功耗管理中另一个重要因素.虽然需要较低的动态和静态功耗,但 是不能不考虑成本问题.电源系统应尽可能简单.在电池供电系统中,应 尽量不要采用多电源供电方式.有必要采用工作电压范围较宽的器件.将 系统划分为多个电源域,每个电源域仅在工作时才启动――这是解决问题 的一种方法.但是,多电源域系统必须具有灵活的控制机制,每一电源域 容易上电和关电.MAX II 器件能够灵活的控制非常复杂的电源域.MAX II 对电源要求比较简单,具有热插拔特性,能够轻松管理动态受控电源域. 转换也是功耗管理的一个重要方面.一个典型的功耗管理系统经常从一种 电源模式转换到另一种电源模式.系统中的元件从接通转换到关断,从关 断转换到接通状态时,以及元件处于关断时,应认真考虑元件在不同状态 下的特性.有的器件热插拔特性较差,在 关断 状态下可能会比 接通 状态下消耗更多的功率.Altera 对MAX II 器件在所有状态和转换过 程中的特性进行了研究,使设计人员能够针对具体应用选择最佳模式. MAX II CPLD 功耗优势 MAX II 在电源系统中具有很多优势,有利于实现便携式应用.MAX II 器 件提供两种内核电源选项.最常用的是具有内建内核电压稳压器的标准器 件.180nm 内核 VCC 需要一个 1.8V 供电电压.支持 MultiVolt? 内核的 MAX II 器件使用起来要比 CoolRunner II 方便的多.VCCINT 范围达到 2.35V 至3.6V,而内建稳压器为内核提供 1.8V 电源.如果实际应用比较 适合采用 1.8V 内核电压,MAX IIG 器件支持 1.65V 至1.95V 的电源供电 范围.电池供电系统的标准电压是 3.0V,既可以采用两节电池也可以采 用一节锂聚合物电池.在这种系统中,电池供电在 3.2V 和2.3V 之间变 化,而MAX II 器件能够连续工作.MAX II 器件还支持 MultiVolt I/O, VCCIO 电压与内核电压稳压器范围相同.这样可以实现非常简单的电源系 统,VCCIO 和VCCINT 可以连接在一起,用于监控电池在其使用寿命范围内的 电压下降.图1是锂聚合物电池典型的使用时间曲线. Altera 公司