如何扩展MEMS硅晶体振荡器以使移动设备站立更长时间

随着越来越复杂的智能手机和移动设备提供更以及对数据，新闻和娱乐的不间断即时访问，消费者将更多时间花在其设备上，用户要求更快的连接速度，多核Ghz +应用处理器和高清分辨率触摸屏，同时预计一次充电可以持续更长的时间. 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要求，同时支持更快，更耗电的处理器和LCD屏幕. 设计选项通常分为两类: 1.降低总体功耗，或2.增加电池容量.

在过去的十年中，电池和显示技术未能跟上半导体设计和工艺的指数级发展. 由于MID的空间和重量限制，使用当前的电池技术只能增加电池容量. 设计人员只能使用创造性的方法来降低总体功耗.

一种降低功耗的技术是在设备不活动时关闭具有最大电流消耗的功能块，并切换到最低功耗的挂起/睡眠状态. 但是，在低功耗状态下，常开时钟将继续消耗电池电量. 新的基于MEMS的时序解决方案提供了独特的节能策略，并具有可编程的输出频率和输出驱动摆幅. 这些计时设备仅消耗750 nA的核心电流，因此可以消耗未调节的锂离子或调节的功率，从而为移动设备设计人员提供了更多选择.

移动设备电源管理概述

图1显示了移动无线设备的基本体系结构. 取决于移动设备架构的实现，电源管理功能分布在应用程序和RF基带处理器和/或专用PMIC（电源管理IC）上. 考虑到它们的尺寸限制和性能要求，这些模块使用CMOS亚微米技术实现.

图1: 显示智能手机高级架构的框图

CMOS SoC（片上系统）的功耗可通过以下公式量化:

P = C * V ^ 2 * F（1）

其中P是以瓦特为单位的功率； V是SoC的单电源轨（VDD）的直流电压; C是悬挂在VDD电源总线上的固有电容. 每个SoC中实现的复杂模块都由多个VDD电源轨供电，电压范围为1.0V至4.3V.

基本电源管理功能实现为:

监视系统处理负载

在下列状态之一之间切换系统:

工作

暂停

休眠

活动状态

通过使用称为动态电压和频率缩放（DVFS）的技术，可以在活动状态期间优化功耗. 根据公式（1），功耗被降低至较低的VDD电源轨电压的平方. 同样，根据SoC制造中部署的过程节点，可以降低工作频率以线性降低功耗.

应用处理器（AP）和RF基带处理器是主要处理单元移动设备的电源管理，它们消耗的电池电量最多. 这些处理SoC与PMIC或片上电源管理模块进行通信，以控制DVFS功能以实现最高效率. PMIC的基本功能模块如图2所示. PMIC功能可以实现为独立的芯片，也可以作为嵌入式模块分布在手机的处理单元中.

图2: PMIC的功能框图

处理模块/ SoC通过I2C总线或类似的总线（例如SM总线）将系统状态传达给PMIC. PMIC LDO和SMPS模块可根据系统功率要求提供所需的可编程电压调节.

暂停状态

当移动设备在预定（用户配置）时间内不活动或被用户激活时，它将进入挂起状态:

没有与触摸屏或按钮的用户界面交互

没有电话或数据通信

用户按下电源/暂停按钮以强制进入暂停状态

在这种状态下，主处理单元以最低的VDD内核电压和低至零赫兹的时钟频率工作. LCD屏幕关闭，并且触摸传感器每100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设备处于其最低功耗状态，这可能会由于设备.

在挂起状态下，系统功耗是由于:

主处理SoC的漏电流

外设（触摸屏，WiFi RF前端等）的暂停功耗

以32 kHz时钟运行的PMIC的功耗

在挂起状态下，总功耗预算的主要来源是PMIC，32 kHz晶体振荡器，RTC模块和无线LAN连接的功耗.

睡眠状态

这是最低功耗状态. 除了由PMIC和实时时钟（RTC）模块中的32 kHz设备提供的监视电路以外，所有设备都已关闭.

为了延长电池的待机寿命，必须采用创新的策略来降低处于挂起和睡眠状态的活动模块的微瓦功率. 无论电源状态如何，始终会打开32 kHz振荡器，以为电源，电池管理模块和无线LAN提供时钟. 在挂起状态下，电流消耗通常以微安小时为单位. 在处于活动状态时，锂化学电池比短峰值电流脉冲损失更多的电池容量，这是一种典型的暂停/睡眠状态方案，在很长一段时间内电流消耗较低.

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