功耗成为便携设备中逻辑器件的关键参数

1 功耗成为便携设备中逻辑器件的关键参数功耗成为便携设备中逻辑器件的关键参数 世界越来越小世界越来越小 移动通信产品正在经历一场革命 PDA 移动电话和消费音频产品之间的差异已不复存在 这些设备的所有 功能都将纳入一种多用途设备中 连便携式电脑也面临着被集成到移动电话中的威胁 而成为具有电子邮件和基本 视频会议功能的简化 PC 不管集成或专门的程度如何 所有移动产品都有一个共同的目标 降低功耗 功耗的物理定律功耗的物理定律 考虑方程 P V2 R 其中 P 为功耗 V 为工作电压 R 为负载阻抗 降低功率可通过两种途径来实现 减小工作电压或增大负载阻抗 现在 大部分门电路的输入阻抗均在 10 50M 的数量级范围内 因此 产生的电流也就在微安范围内 大部分电流都是在高低态相互转换的过程中消耗掉的 增加负载阻抗将使转换时间和传输延迟增加 这在时 钟速度很高的 2 5G 和 3G 设计中是要绝对避免的 增加转换时间还会使输出极晶体管出现故障 这是因为在阈值电压点的两个晶体管将被接通 从而使电流消 耗急剧增大 显然 无论对于信号传输延迟 功耗 还是对于器件的可靠性而言 增加阻抗均非解决之道 单电池供电的单电池供电的 TinyLogic 超低功率器件超低功率器件 将电源电压由 5V 降至 1 5V 功耗会降低 10 倍以上 要实现这种幅度的功率下降 可以通过采用更小尺度的加工工艺来实现 如由 0 8 m 降至 0 5 m 再降至 0 35 m 甚至更低 成倍降低工艺尺寸还可使设计人员降低集成电路的成本 基于 0 5 m 的设计比 0 8 m 设计尺寸更小 因而 也更便宜 当晶片的尺寸减小时 晶片的功耗也会随之降低 根据方程 P Icc Vcc Cpd 2 Vcc f Cl 2 Vcc f 其中 P 为晶片的功耗 Icc 为电源电流 Vcc 为电源电压 Cpd 为有效内部电容 Cl 为外部负载电容 f 为工 作频率 Vcc Cl 和 f 由电路设计决定 其中 Cpd 和晶片相关 通过将输出极的电容效应降至最低 减小开关功耗 就可以获得极低的 Cpd 值 从而得到超低功率的 TinyLogic 器件 降低工艺尺寸的另一个优势可提高器件的工作频率 并且不会由于热效应而影响晶片的可靠性 速度也是 GPRS 和 UMTS 等基于 IP 的下一代通信设计的关键因素 由于这些下一代通信技术要求更快的数 2 据传输率 因而其内部时钟速率通常比 GSM 设计快 10 至 100 倍 SV ULP A 和 SP ULP 系列产品是为高速 低功耗的应用而设计的器件 在 1 8V 电压下 SV 系列器件传 输延迟的典型值突破了 2ns 瓶颈 达到了 1 9ns 这些器件成为要求高速度和低功率器件的基带设备的首选配件 SV 系列产品的工作电压可低至 900mV 与所有电池技术标准和所有工艺的半导体元件相匹配 低噪声模拟 数字及音频系统的理想配件低噪声模拟 数字及音频系统的理想配件 SV ULV A 和 SP ULP 系列产品都在输出极集成了飞兆公司的 GTO 专利电路 降低了器件在高低态之间切 换时的转换噪声 高速 SV 器件可直接与运行速率为 50MHz 的 DSP 和 ASIC 连接 而不会使时序明显增加 例如 芯片选择 可在 2ns 内产生 CS 信号 这段时间完全在 50MHz 20ns 时钟周期的设置和保持时间内 另一个例子是史密特触发器功能 这项功能通常用来在将时钟信号高低电平输入 DSP 或 ASIC 之前对其进行 清理 SV UPL A 器件通常用于连接 DSP 及 CODEC 的存储器或 MPEG 芯片组等功能组件 出于产品需早日投 放市场的压力 设计人员通常没有时间将所有的新功能集成到一个芯片组中 而生产一种混合信号射频 模拟 数 字和音频 ASIC 也不经济 因此 这些门电路可广泛用于将 PDA 移动电话或数字音频设计等时序处于至关重要 地位的应用中 将模块连接起来 飞兆公司还开发出另一种超低功率类产品 即 SP 系列器件 这些器件在 3 0V 的电流驱动能力为 2 6mA 传输延迟的典型值为 6ns 通常用于紧凑设计设备 2 6mA 驱动电流足以驱动短距离通信所需的信号 转换频率 是另一个需要考虑的因素 如果频率较低 通常在兆赫范围内 那么 SP 系列器件即可适用 由图 1 可以看出 SP 和 SV 超低功率 TinyLogic 系列器件是如何实现比市场上现有的所有器件都低的功耗性能的 这些器件也可用于 MMI 人机接口 等低功率 低电压的便携产品市场 但无需讲求高接入速度的应用 外设 互连是 SP 系列器件另一个广为采用的领域 在这些应用领域 功能和信号完整性比传输延迟更为重要 时序关键信号通常可包含在 ASIC 内 因而设计 人员能利用超低功率 SP 系列器件来实现与 ASIC 及外设电路的互连 3 设计人员所需的附加特性设计人员所需的附加特性 SP 和 SV 系列器件的过压冗余均为 4 60V 如果设计需要实现降压转换 如由 3 6V 降至 1 0V 这一特性将 极其有效 譬如 以 1 0V 电压为 NC7SV125P5 供电 输入 3 6V 信号 实现 1 0V 输出 这种器件可完美地实 现这项功能 不会产生任何至 Vcc 或接地端的漏流 高度灵活的开创性电压转换功能高度灵活的开创性电压转换功能 传统的 TinyLogic 系列产品由数字门电路 模拟开关和电压转换器构成 飞兆公司通过将电压转换纳入数字功能 重新定义了电压转换的法则 例如 如果信号需要由 1 4V 转换至 3 6V 然后利用该信号来控制某个允许或失效装置 这至少需要两个门电路 现在 利用 NC7SV126 或 NC7SP126 器件 只要一个单独的器件就可以实现了 要使 Vcc1 为 1 4V 次级电源 Vcc 应连接至 3 6V 剩余的引脚按照正常的 126 缓存器设置 SV 和 SP 系 列的史密特触发器和反相器 均可实现电压转换功能 设计人员也可选择电压 Vcc1 和 Vcc 可为 900mV 至 3 60V 之间的任意值 因此电压也可升可降 低压低压 TinyLogic 器件均具有高阻抗关闭功能器件均具有高阻抗关闭功能 SP 和 SV 系列产品另一个特性是其关闭时的高阻抗 因此 当器件断电后 输入极和输出极之间没有任何连 接 这是大部分便携设备最通常的要求 飞兆公司的所有低压 TinyLogic 系列器件均具有此项功能 但其他制造 商并非都提供这项功能 超低功率系列产品的封装超低功率系列产品的封装 考虑到设计和制造的灵活性要求 飞兆公司提供 SC70 和 MicroPak 两种可选封装形式 SC70 封装的引脚 间距为 0 65mm 便于制造及进行引脚检测和信号测量工作 二者的比较如图 2 所示 MicroPak 封装比 SC70 封装小 65 与 SC70 封装 0 9mm 的高度相比