32.768KHz振荡器如何延长了移动设备的待机时间

2024-07-10 15:06:31 12 0 0

随着智能手机和移动设备变得越来越复杂,提供更多功能以及对数据、新闻和娱乐的无束缚即时访问,消费者使用其设备的时间越来越长。用户要求更快的连接性、多核 GHz+应用处理器和高清分辨率触摸屏,同时期望一次电池充电能持续更长时间。移动设备设计人员必须仔细考虑如何满足延长电池寿命的矛盾需求,同时支持更快、更耗电的处理器和液晶显示屏。设计选项通常分为两大类:1. 降低整体功耗。 2. 增加电池容量。


在过去十年中,电池和显示技术未能跟上半导体设计和工艺的指数级进步。由于移动互联网设备(MIDs)的空间和重量限制,使用当前电池技术只能实现电池容量的小幅增加。设计人员只能采用创新方法来降低整体功耗。


降低功耗的一种技术是在设备不活动时关闭电流消耗最大的功能块,并切换到最低功耗的挂起/睡眠状态。然而,在低功耗状态下,始终开启的时钟仍会消耗电池电量。新的基于 MEMS 的计时解决方案提供了独特的节能策略,具有可编程的输出频率和输出驱动摆幅电平。这些计时设备仅消耗 750 nA 的核心电流,可以由未经调节的锂离子或调节后的电源供电,从而为移动设备设计人员带来更多选择。


移动设备电源管理概述  


移动无线设备的基本架构如图 1 所示。根据移动设备架构的实现方式,电源管理功能分布在应用和射频基带处理器和/或专用 PMIC(电源管理 IC)中。鉴于其尺寸限制和性能要求,这些模块采用 CMOS 亚微米技术实现。 


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 图 1:显示智能手机高级架构的框图


在 CMOS SoC(片上系统)中的功耗可以通过以下公式进行量化:  


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其中;P 是以瓦特为单位的功率;V 是 SoC 单个电源轨(VDD)的直流电压;C 是挂在 VDD 电源总线上的固有电容。每个 SoC 内部实现的复杂模块由多个 VDD 电源轨供电,其值范围从 1.0V 到 4.3V。


基本的电源管理功能实现方式如下:

• 监测系统处理负载 

• 在以下状态之一之间切换系统:

               o 活动 

                 o 挂起 

                 o 睡眠  


在活动状态期间,可以通过称为动态电压和频率缩放(DVFS)的技术来优化活动状态的功耗。根据公式(1),随着较低 VDD 电源轨电压的平方降低,功耗也会降低。同样,根据 SoC 制造中部署的工艺节点,工作频率会降低以线性降低功耗。


应用处理器(AP)和 RF 基带处理器是主要的处理单元,消耗电池电量最多。这些处理 SoC 通过与 PMIC 或片上电源管理模块通信命令来控制 DVFS 功能,以实现尽可能高的效率。PMIC 的基本功能块如图 2 所示。PMIC 功能可以实现为独立芯片,也可以作为嵌入式模块分布在手机的处理单元中。  


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图 2:图 2:PMIC 的功能框图


处理模块/SoC 通过 I2C 总线或类似的总线(如 SM 总线)将系统状态传达给 PMIC。PMIC 的 LDO 和 SMPS 模块提供系统电源需求所需的可编程调节电压。


当移动设备在预先确定(用户配置)的时间内处于非活动状态或由用户发起时,会进入挂起状态:

 • 没有与触摸屏或按钮的用户界面交互

 • 没有来电或数据通信

 • 用户按下电源/挂起键强制进入挂起状态


在这种状态下,主处理单元以允许的最低 VDD 内核电压运行,时钟频率可降至零赫兹。LCD 屏幕关闭,触摸传感器每一百毫秒唤醒一次,以检测用户的触摸交互。诸如蜂窝调制解调器之类的通信外设处于其最低功率状态,可被外部事件中断。依靠 32.768 kHz 时钟源运行的 PMIC 是在这种低功率状态下唯一完全活跃的设备。32 kHz 时钟的功能之一是作为定时器,按照无线局域网要求或电源管理方案在预定时间唤醒外设。在挂起状态下,系统功耗归因于:

• 主处理 SoC 的泄漏电流 

• 外设(触摸屏、WiFi RF 前端等)的挂起状态功耗 

• 依靠 32 kHz 时钟运行的 PMIC 的功耗


在挂起状态下,整体电源预算的主要贡献者是 PMIC、32 kHz 晶体振荡器、RTC 模块和无线局域网连接的功耗。


睡眠状态 


这是最低功率状态。除了由 PMIC 中的 32 kHz 振荡器和实时时钟(RTC)模块计时的监控电路外,所有设备都关闭。为了延长电池的待机寿命,必须采用创新策略来从挂起和睡眠状态下的活动模块中节省微瓦级的功率。无论处于何种功率状态,32 kHz 振荡器始终开启,为电源、电池管理模块和无线局域网提供时钟。在挂起状态下,电流消耗通常在微安级别。与活动状态下的短时间峰值电流爆发相比,在挂起/睡眠状态下长时间的低电流消耗期间,锂化学电池会损失更多的电池容量。


移动设备时钟方案


典型的移动设备,根据应用处理器的选择、分区和它支持的其他功能,可以包含多个定时设备,包括一个或多个 32 kHz 时钟,如图 2 所示。32 kHz 振荡器消耗的功率通常为 2 至 3 微瓦,从 3V 直流稳压电源的典型电流消耗为 1 至 2 微安。无论是作为 PMIC 晶体振荡器的一部分还是为 PMIC 的 XIN 引脚提供外部振荡器,32 kHz 振荡器电路消耗的功率在挂起/睡眠状态下对电池寿命的长短起着重要作用。SiT15xx 系列是 SiTime 推出的新一代硅 MEMS 32 kHz 振荡器,为传统的片上振荡器、外部石英振荡器或石英晶体(XTAL)提供了节能替代方案。


在移动设备中,32.768 kHz 的 XTAL 可以用 SiT15xx 振荡器替换,以进一步降低功耗。这些 MEMS 振荡器具有低功耗输出,核心电源电流(典型值)为 750nA。SiT15xx 还具有其他节能特性,如可工作至 1.2V、可编程频率低至 1Hz 以及可编程输出摆幅。


可编程频率


基于 MEMS 的振荡器基于可编程架构,允许定制包括频率和电源电压在内的特性。这些可编程特性可用于优化系统设计,包括降低功耗。例如,SiT15xx MEMS 振荡器的频率可在 1Hz 至 32.768 kHz 之间以 2 的幂进行编程。显著降低频率可大幅降低输出负载电流(C*V*F)。例如,将频率从 32.768 kHz 降低至 10 kHz,可使负载电流改善 70%。同样,将输出频率从 32.768 kHz 降至 1Hz,可使负载电流降低 99%以上。(见下面的示例。)由于低频时谐振器的物理尺寸限制,石英 XTAL 无法提供低于 32.768 kHz 的频率。


可编程输出


最新一代基于 MEMS 的振荡器提供的另一个新的节能特性是 NanoDrive™,即可编程输出摆幅。此特性允许将输出摆幅编程为更低的电压摆幅,并与 PMIC/芯片组匹配,如图 3 所示。此可编程输出级最大限度地降低了功率,并保持了与下游振荡器输入的兼容性。输出摆幅可从全摆幅编程至 200 mV,功耗比全摆幅 LVCMOS 低 40%。


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图 3:NanoDrive™ 的输出摆幅可程控低至 200 mV,以将功耗降至最低。



降低频率和输出摆幅以减少电流消耗  


以下示例说明了降低输出摆幅和频率如何影响电流消耗。空载电源电流 - 在计算 SiT15xx 器件的空载功率时,需要添加内核和输出驱动器组件。由于输出电压摆幅可以编程为在 200 mV 至 800 mV 之间降低摆幅,因此输出驱动器电流是可变的。因此,空载工作电源电流分为两部分,内核和输出驱动器。下面的示例说明了降低摆幅输出的低功耗优势。例如,与 LVCMOS(2.1V)摆幅相比,空载电流提高了 20%以上。


公式如下:

总电源电流(空载)= Idd 内核 + Idd 输出级 其中,

• Idd 内核 = 750nA 

• Idd 输出级 = (165nA/V)(Voutpp)

• 对于 NanoDrive 降低摆幅,选择输出电压摆幅或 VOH/VOL 


示例 1:全摆幅 LVCMOS 

• Vdd = 3.3V(平均)

• Voutpp = 2.1V(器件的最大输出)

• Idd 内核 = 750nA 

• Idd 输出级 = (165nA/V)(2.1V)= 347nA 空载电源电流 = 750nA + 397nA = 1097nA 


示例 2:NanoDrive™ 降低摆幅 

• Vdd = 3.3V(平均)

• NanoDrive 输出选择

• Voutpp = VOH - VOL = 0.6V 

• 其中,VOH = 1.1V,VOL = 0.5V 

• Idd 内核 = 750nA 

• Idd 输出级 = (165nA/V)(0.6V)= 100nA NanoDrive 的空载电源电流 = 750nA + 100nA = 850nA


负载的总电源电流 - 要计算包括负载在内的总电源电流,请遵循下面列出的公式。额外的负载电流来自负载电容、输出电压和频率(C*V*F)的组合。由于 SiT15xx 包括 NanoDrive 降低摆幅输出和可选择低至 1Hz 的输出频率,这两个变量将显著改善负载电流。


当考虑负载电流时,NanoDrive 的优势变得非常显著。如示例 4 所示,使用 NanoDrive 功率降低了 40%以上。如示例 5 所示,降低输出时钟频率显著降低了负载电流。


总电流 = Idd 内核 + Idd 输出驱动器 + 负载电流 其中,

• Idd 内核 = 750nA 

• Idd 输出级 = (165nA/V)(Voutpp)

• Idd 负载 = CLoad * Vout * 频率 

• 假设负载电容为 10p


示例 3:全摆幅 LVCMOS 

• Vdd = 3.0V(平均)

• Voutpp = 2.1V(此器件的最大输出摆幅)

• Idd 内核 = 750nA 

• Idd 输出驱动器:(165nA/V)(2.1V)= 347nA 

• 负载电流:(10pF)(2.1V)(32.768kHz)= 688nA 带负载的总电流 = 750nA + 347nA + 688nA = 1785nA 


示例 4:NanoDrive™ 降低摆幅 

• Vdd = 3.0V(平均)

• NanoDrive 输出选择:

• Voutpp = VOH - VOL = 0.5V 

• 其中,VOH = 1.1V,VOL = 0.6V 

• Idd 内核 = 750nA 

• Idd 输出级 = (165nA/V)(0.5V)= 83nA 

• 负载电流:(10pF)(0.5V)(32.768kHz)= 164nA 带负载的总电流 = 750nA + 83nA + 164nA = 997nA 


示例 5:NanoDrive™ 降低摆幅和 1Hz 输出频率 

• 与上述示例 2 条件相同,但输出频率 = 1Hz。这将显著降低输出级和负载的电流消耗。

• Idd 内核 = 750nA 

• Idd 输出级 = (5.04pA/V)(0.5V)(1Hz)= 2.52pA 

• 1Hz 输出频率对负载电流的影响如下:负载电流 = CVF = (10pF)(0.5V)(1Hz)= 5pA 带负载的总电源电流 = 内核电流 + 输出级电流 + 负载电流 = 750nA + 0.00252nA + 0.005nA = 750nA


总结


移动设备中的电池在长时间挂起/睡眠状态下比在其活动状态下损失更多的容量。在低功耗状态下导致电池消耗的主要因素是由 32 kHz 守时振荡器计时的电源和电池管理电路。在挂起/睡眠状态下节省电池容量的最佳解决方案是利用新型微功耗可编程 1 Hz 至 32 kHz 硅 MEMS 振荡器提供的节能方案。通过对这类新型振荡器的频率和输出电压进行编程,根据移动设备中的特定电源管理实现方式,电流消耗可以显著降低。






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