移動設備使用下MEMS晶振的睡眠及活動狀態
來源：http://www.ytxiaoping.cn 作者：金洛鑫電子 2019年09月11
我們最熟悉的移動設備產品莫過于智能手機了,在生活上,工作中我們都離不開一部手機,而且現在智能手機價位要不同階段,早已不是什么奢侈器,基本上都是人手一部了.智能手機是消耗晶振比較多的產業,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,不同的手機廠商采用的晶體和振蕩器都不一樣,近年來更傾向于使用MEMS振蕩器.有實驗表明,無論手機是處于睡眠狀態還是活動狀態,MEMS 0scillator都有助于延長使用壽命.
隨著越來越復雜的智能手機和移動設備提供更多功能以及對數據,新聞和娛樂的無限制即時訪問,消費者花費更多時間使用他們的設備.用戶要求更快的連接性,多核Ghz+應用處理器和高清分辨率觸摸屏,同時希望在單次電池充電時能夠持續更長時間.移動設備設計人員必須仔細考慮如何滿足延長電池壽命的沖突要求,同時支持更快,更耗電的處理器和LCD屏幕.設計選項通常分為兩大類:1.降低總體功耗,或2.增加電池容量.
降低功耗的一種技術是關閉具有最高電流消耗的功能模塊,并在器件處于非活動狀態時切換到最低功耗暫停/休眠狀態.但是,在低功耗狀態期間,始終開啟的時鐘繼續消耗電池電量.新的基于MEMS時鐘振蕩器的計時解決方案提供獨特的節能策略,具有可編程輸出頻率和輸出驅動擺幅水平.這些定時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壓電源,從而為移動設備設計人員帶來更多選擇.
移動設備電源管理概述
移動無線設備的基本架構如圖1所示.根據移動設備架構的實現,電源管理功能分布在應用和RF基帶處理器和/或專用PMIC(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亞微米技術實現.
圖1:顯示智能手機高級架構的方框圖
CMOSSoC(片上系統)的功耗可通過以下公式量化:
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SoC內部實現的復雜模塊由多個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現方式如下:
在以下狀態之一之間切換系統:活動,暫停睡眠.
【活動狀態】
通過使用一種稱為動態電壓和頻率縮放(DVFS)的技術,可以在活動狀態下優化功耗.根據等式(1),功耗降低為較低VDD軌電壓的平方.同樣,根據SoC制造中部署的工藝節點,降低工作頻率以線性縮減功耗.應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通過與PMIC或片內電源管理模塊通信命令來控制DVFS功能,從而實現最高效率.PMIC的基本功能塊如圖2所示.PMIC功能可以實現為獨立芯片,或者可以作為嵌入塊分布在移動電話的處理單元中.
圖2:圖-2:PMIC的功能框圖
處理模塊/SoC通過I2C總線或類似總線(例如SM總線)將系統狀態傳送到PMIC.PMICLDO和SMPS模塊提供系統電源需求所需的MEMS可編程振蕩器穩壓電壓.
【暫停狀態】
當移動設備在預定(用戶配置的)時間內不活動或者當用戶啟動時,進入掛起狀態:
1.沒有與觸摸屏或按鈕的用戶界面交互
2.沒有來電或數據通信
3.用戶按下電源/暫停鍵強制進入暫停狀態
在這種狀態下,主處理單元在最低允許VDD內核電壓和時鐘頻率下工作,頻率降至零赫茲.液晶屏關閉,觸摸傳感器每百毫秒喚醒一次,以檢測用戶觸摸交互.蜂窩調制解調器等通信外圍設備處于最低功率狀態,可能會被外部事件中斷.運行在32.768K時鐘源上的PMIC是在這種低功耗狀態下唯一完全活躍的器件.32千赫時鐘的功能之一是作為定時器,在無線局域網要求或電源管理方案規定的預定時間喚醒外圍設備.
在掛起狀態下,系統功耗是由于:
1.主處理SOc的泄漏電流
2.外圍設備(觸摸屏、無線射頻前端等)的掛起狀態功耗.)
3.PMIC在32千赫時鐘下的功耗
暫停狀態下總功率預算的主要貢獻者是PMIC、32.768K振蕩器、實時傳輸控制模塊和無線局域網連接的功耗.
【睡眠狀態】
這是最低功率狀態.除了由PMIC的32千赫設備和實時時鐘模塊計時的監控電路外,所有設備都將關閉.為了延長電池的待機壽命,必須采用創造性的策略來切斷處于掛起和睡眠狀態的活動模塊的微瓦功率.無論電源狀態如何,32千赫貼片振蕩器總是接通時鐘電源、電池管理模塊和無線局域網.在掛起狀態下,電流消耗通常為微安.與活動狀態下峰值電流的短脈沖相比,鋰化學電池在長時間的低電流消耗(典型的掛起/睡眠狀態)期間會釋放更多的電池容量.
隨著越來越復雜的智能手機和移動設備提供更多功能以及對數據,新聞和娛樂的無限制即時訪問,消費者花費更多時間使用他們的設備.用戶要求更快的連接性,多核Ghz+應用處理器和高清分辨率觸摸屏,同時希望在單次電池充電時能夠持續更長時間.移動設備設計人員必須仔細考慮如何滿足延長電池壽命的沖突要求,同時支持更快,更耗電的處理器和LCD屏幕.設計選項通常分為兩大類:1.降低總體功耗,或2.增加電池容量.
降低功耗的一種技術是關閉具有最高電流消耗的功能模塊,并在器件處于非活動狀態時切換到最低功耗暫停/休眠狀態.但是,在低功耗狀態期間,始終開啟的時鐘繼續消耗電池電量.新的基于MEMS時鐘振蕩器的計時解決方案提供獨特的節能策略,具有可編程輸出頻率和輸出驅動擺幅水平.這些定時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壓電源,從而為移動設備設計人員帶來更多選擇.
移動設備電源管理概述
移動無線設備的基本架構如圖1所示.根據移動設備架構的實現,電源管理功能分布在應用和RF基帶處理器和/或專用PMIC(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亞微米技術實現.
圖1:顯示智能手機高級架構的方框圖
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SoC內部實現的復雜模塊由多個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現方式如下:
在以下狀態之一之間切換系統:活動,暫停睡眠.
【活動狀態】
通過使用一種稱為動態電壓和頻率縮放(DVFS)的技術,可以在活動狀態下優化功耗.根據等式(1),功耗降低為較低VDD軌電壓的平方.同樣,根據SoC制造中部署的工藝節點,降低工作頻率以線性縮減功耗.應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通過與PMIC或片內電源管理模塊通信命令來控制DVFS功能,從而實現最高效率.PMIC的基本功能塊如圖2所示.PMIC功能可以實現為獨立芯片,或者可以作為嵌入塊分布在移動電話的處理單元中.
圖2:圖-2:PMIC的功能框圖
【暫停狀態】
當移動設備在預定(用戶配置的)時間內不活動或者當用戶啟動時,進入掛起狀態:
1.沒有與觸摸屏或按鈕的用戶界面交互
2.沒有來電或數據通信
3.用戶按下電源/暫停鍵強制進入暫停狀態
在這種狀態下,主處理單元在最低允許VDD內核電壓和時鐘頻率下工作,頻率降至零赫茲.液晶屏關閉,觸摸傳感器每百毫秒喚醒一次,以檢測用戶觸摸交互.蜂窩調制解調器等通信外圍設備處于最低功率狀態,可能會被外部事件中斷.運行在32.768K時鐘源上的PMIC是在這種低功耗狀態下唯一完全活躍的器件.32千赫時鐘的功能之一是作為定時器,在無線局域網要求或電源管理方案規定的預定時間喚醒外圍設備.
在掛起狀態下,系統功耗是由于:
1.主處理SOc的泄漏電流
2.外圍設備(觸摸屏、無線射頻前端等)的掛起狀態功耗.)
3.PMIC在32千赫時鐘下的功耗
暫停狀態下總功率預算的主要貢獻者是PMIC、32.768K振蕩器、實時傳輸控制模塊和無線局域網連接的功耗.
【睡眠狀態】
這是最低功率狀態.除了由PMIC的32千赫設備和實時時鐘模塊計時的監控電路外,所有設備都將關閉.為了延長電池的待機壽命,必須采用創造性的策略來切斷處于掛起和睡眠狀態的活動模塊的微瓦功率.無論電源狀態如何,32千赫貼片振蕩器總是接通時鐘電源、電池管理模塊和無線局域網.在掛起狀態下,電流消耗通常為微安.與活動狀態下峰值電流的短脈沖相比,鋰化學電池在長時間的低電流消耗(典型的掛起/睡眠狀態)期間會釋放更多的電池容量.
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