利用模数转换器的特性降低物联网系统级芯片功耗

发布时间:2016-2-2 15:58    发布者:designapp
关键词: 模数转换器 , 物联网
诸如物联网(IoT)这样的功耗敏感型应用要求在系统级芯片(SoC)内部有一套全面的低功耗策略。单纯依赖传统关闭电源模式和低电源电压的技术可能不足以实现功耗目标。模拟模块通常被认为是过于敏感,并且与激进的电源管理技术不兼容。

然而,对于模拟模块特性的全面了解可以使低功耗SoC设计成为可能。在本文中,我们对通用的物联网SoC设计中与外部传感器连接的模数转换器(ADC)知识产权(IP)进行了近距离的观察,并描述了其相关特性,以及在系统层面上如何利用这些特性来实现低功耗。

传统低功耗技术的挑战

那些有可能依靠纽扣电池或能量采集来供电的物联网应用,正在驱动整个行业对超低功耗SoC设计的需求。为了在不替换电池的情况下,维持很长一段时间的运行,设计人员必须充分利用可用的低功耗技术。

传统的方法依赖于SoC电源电压的降低,以及更先进的半导体工艺提供的更小特征尺寸来降低运行功耗。这种方法增加了系统成本,且有可能导致更高的漏电。

在系统层面上,可以通过识别芯片中哪些模块可以在操作完成后关断电源,来实现低功耗技术;也可以将时钟频率和电源电压调低至维持必要操作所需的最低值,从而降低额外的功耗。

一款物联网SoC的典型任务场景可以在其非常短的工作周期中标定出来:大部分电路通常都处于空闲模式;仅有一小部分电路始终处于工作模式,以便扫描环境以及在需要时激活其余的电路。图1所示为常见的物联网使用情况。始终处于工作模式的电路被放置在一个专用的电源岛上,并使用高阈值(Vth)电压器件甚至厚氧化层器件来使漏电最小化。其余的电路可以通过切断其电源限制其漏电。



图1常见的物联网应用场景

一款语音控制的装置就是这种应用的案例之一,其中只有简单的语音监测电路始终处于工作模式;而专门用于指令识别和处理的模块,则只有在语音监测电路识别出一个可能的命令时才会被激活。另一个案例就是传感器的定期轮询,它是用来决定是否需要根据环境中的一些变化而采取进一步的行动。

因此,为了进一步降低工作和漏电功耗,现代的物联网SoC设计引入了复杂的电源管理架构,其带有多种电源关断模式,并将电路详细地分割到不同的电源岛中。

支持当今物联网SoC设计的全新低功耗技术

然而,当提到模拟接口时,传统的低功耗技术就不能直接应用了。模拟模块通常要去处理具有大电压摆幅和高线性度要求的信号。这就限制了降低电源电压的可能,也因此限制了缩小实际最小特征尺寸的能力。

模拟模块存在内部偏置电流和偏置电压,为了实现最佳性能,它们需要得到妥善的处置。因此,上电和关断时间自然就慢,从而限制了电源模式切换的使用。此外,它们有时是通过较慢的串行总线控制的,这就导致了对其电源状态进行实时、主动控制的能力受到限制。

设计人员需要一种新的方法来突破这些局限性,尤其是在设计功耗敏感型应用的时候。集成与传感器连接的模数转换器(ADC)不仅降低了外部物料清单(BoM)成本,而且也支持了在SoC的电源管理架构中实现更紧密的模拟接口集成,实现了更快的上电和关断转换以及额外的功耗降低。为了降低BoM成本和功耗,设计人员必须选择一款可集成的ADC,它需要足够灵活地支持不同的操作模式,并且可以在不同的电源模式间快速转换而功耗最低。一款可集成的ADC具有以下关键特性:

l 最低的静态功耗,在速度降低时可实现功耗最小化

l 多种性能模式,在性能设置降低时可实现功耗最小化

l 具有多种电源模式,以及在它们之间快速转换且不会损失精确度和性能

具体的使用案例

设计人员必须理解ADC的所有特性,以及如何在具体的使用案例中应用来实现额外的功耗降低。以下是几个使用案例的实例。

1. 非常缓慢的采集速度

本案例考虑的是这样一种情况:系统数据处理需要某一种时钟速度以实现所需的处理吞吐量,然而传感器信息可能只需要以一种很低的速率来更新。

对于这个使用案例,传统的实现方法是对处理器时钟进行分频降低来匹配传感器采样所需的低速率。然而,这个时钟频率可能比ADC能够可靠支持的最小值还低——还有一种选择就是以更高的频率来设定ADC时钟,但在某些时段需要保持空闲(待机)模式。
理想的选择是在这些空闲期内完全关闭ADC,然后在下一次传感器采样时快速唤醒它。在这种模式中,ADC主要消耗漏电功率,而仅在短暂的主动采样时刻消耗工作功率。这有效地将功耗的低限扩展到了比时钟频率最小值时的功耗值低得多的范围,而且不影响SoC的配置(例如,符合数据处理所需的时钟速度)。

这种选择依赖于以下ADC特性:

l 快速的关断和上电步骤(诸如校准等任何缓慢的过程都应该避免出现在这些步骤中)。

l 关断模式下非常低的漏电功耗,例如将电源管理功能集成到ADC中(电源开关、低压差线性稳压器等)。在不同电源模式之间转换所造成的额外功率损耗应该是最低的(图2)。



图2待机模式和关闭模式中的低功耗对比

l 性能的可重复性。像偏移和绝对精度这样的性能参数需要在连续多个电源周期中都保持一致。转换结果的稳定性可以使用“有效分辨率”(Reff)这一度量标准来判定,该标准可以从ADC依据一个固定输入而产生的输出直方图中获得,而该直方图则由多个电源周期中的大量测量值样本来形成(图3)。比较窄的分布(图3左侧)是更好稳定性(及低噪声)的证明。而扩展的分布或重复出现多个峰值(图3右侧)则是稳定性较差的象征。



图3 ADC的有效分辨率直方图

2. 与内部处理器和电源管理系统紧密结合

本例考虑了这样一种情况:集成的ADC与处理器寄存器紧密结合,使ADC控制寄存器映射至处理器的内部寄存器中,从而避免了通过复杂的总线去控制ADC,而这些总线通常每次读/写操作要好几个时钟周期。这种技术可支持系统快速地进入低功耗模式,不用多个时钟周期来控制ADC。如果ADC常常经历上电/断电周期,那么该技术将是大有裨益的。

此外,穿越模拟域和数字域的控制回路的延迟变小了,从而潜在地提升了控制回路性能。

这种技术依赖于以下ADC特性:

l 将ADC控制映射到内部处理器寄存器中,或直接映射到AMBA结构中(AMBA即高级微控制器总线架构)的能力,避免了循环和电源等待周期。

l 将ADC电源管理特性(内部电源岛等)集成至SoC电源管理系统中的能力

3. 性能分级

本例考虑了这样一种情况:某个传感器的读数所需精度可以根据系统状态而变化。例如,当一个图像传感器检测到没有任何活动时,较低的精度是可以接受的。然而,当有活动被监测到时,可能就需要更高的精度。

这项知识可以被用来降低功率损耗:数据采集速度和ADC性能等级在非活动期间可以降低,而仅在需要更高精度时才升高。

这种技术依赖于以下ADC特性:

l 带有相应功耗降低措施的不同精度选项

l 动态的采样率控制,以及功耗和采样率成比例降低

4. 高输出阻抗传感器

本例考虑了这样一种案例:使用开关电容技术来实现现代的ADC。为了实现一种简化的电路分析,这些ADC的前端采样级可以被简化为一个电容器(采样单元)和一个非线性电阻(开关)。传感器本身可以被简化为一个电压源和一个串联电阻(输出阻抗)(图4)。



图4简化的ADC输入电路和传感器原理图

当电路闭合时,传感器就充当一个加载采样电容的源,时间常数τ=RC。如果传感器输出阻抗很大,那么时间常数也大,可能就没有足够的时间来建立采样电容的电压到一定精度。

避免这种限制的一种方式是在传感器和ADC之间插入一个低输出阻抗的缓冲器。然而,这种解决方案会因为缓冲器本身消耗的电能而导致大量额外功耗。

一种理想的解决方案是延长ADC的采样时间以适应所需的建立时间。如此一来,就不需要缓冲器了,同时功耗也降低了。(图5)。

这种技术依赖于以下ADC特性:

l 可编程的采样时间,它可以根据传感器决定的设置要求而调整,既可以为高阻抗传感器而延长(避免额外的缓冲器),也可以为低阻抗传感器缩短(使ADC能更早进入关断模式,或开始一个新的转换周期)。



图5延长采样时间以适应高阻抗传感器

总结

了解模拟接口的特性和使用案例,可以帮助设计人员大幅度地降低物联网SoC设计的功耗。

通过集成与传感器连接的ADC,可以实现功耗降低。集成的ADC有如下特性:最低的静态功耗,即随速度的降低而实现功耗最小化;多种性能模式,其中随着性能设置的降低而实现功耗最小化;多种功耗模式,以及在它们之间的快速转换、且不会损失精确度和性能的能力。

设计人员必须重视这些特意提供的使用案例,并利用集成ADC的先进低功耗技术和其它特性,来实现额外的功耗降低,同时满足性能要求。
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