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        無線充電qi協(xié)議的主控制器的低功耗設(shè)計

        2020-09-23 07:55:24張二麗
        電子產(chǎn)品世界 2020年2期
        關(guān)鍵詞:無線充電數(shù)字電路低功耗

        張二麗

        摘要:從1889年Nikola Tesla發(fā)明了著名的Tesla線圈開始,對無線充電技術(shù)的研究受到了廣大設(shè)計者的重視,華為2018年發(fā)布的無線充電技術(shù),其最大功率可達(dá)15 w,標(biāo)志著無線充電時代的來臨。但是由于芯片集成度的提高,SOC的功率密度越來越大,低功耗設(shè)計成為無線充電技術(shù)中應(yīng)該關(guān)注的問題。針對Qi wirelesspower transfer version 1.1.2,采用格雷碼的編碼方式,二級門控時鐘,多閾值電壓以及低功耗計數(shù)器等功耗優(yōu)化技術(shù),使得該協(xié)議中主控制器的功耗降低了30%。

        關(guān)鍵詞:無線充電;數(shù)字電路;低功耗

        0引言

        在傳統(tǒng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)中,一般使用蓄電池充電,需要不斷更換電池,在制約了無線傳感網(wǎng)絡(luò)實際部署與廣泛應(yīng)用的同時大大提高了網(wǎng)絡(luò)的維護成本。而早在1988年,約翰.鮑爾斯在實驗室第一次成功用無線充電技術(shù)點亮了1米外的60 w的燈泡,無線充電技術(shù)的可行性得到論證,至此無線充電技術(shù)的研究越來越受到重視。

        為了規(guī)范無線充電技術(shù),WPC聯(lián)盟提出的QI協(xié)議,該協(xié)議采用定頻調(diào)占空比的架構(gòu)利用控制器不斷地對電路進(jìn)行監(jiān)控,通過調(diào)整線圈上的電壓進(jìn)行無線傳輸能量,與用蓄電池相比,其成本大大降低,但是伴隨著摩爾定律的盛行,每一代半導(dǎo)體工藝技術(shù)的提高,芯片密度的增大,對于設(shè)計者來說功耗就成為了必要的關(guān)注問題,電壓大小,dual-Vth和柵極尺寸都與低功耗技術(shù)密切相關(guān)。本文主要是對在RTL級電路設(shè)計的基礎(chǔ)上進(jìn)行低功耗設(shè)計。

        1數(shù)字電路功耗的形成

        電路中的功耗分為兩類:靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗。靜態(tài)功耗主要是待機時的功耗,主要由泄露電流組成,一方面是由于MOS管閾值電壓的存在,使得器件在關(guān)斷狀態(tài)下,具有亞閾值特性,因此會產(chǎn)生亞閾值電流。動態(tài)功耗主要是由于短路電流和負(fù)載電容充電引起的。而在這兩部分中有三種最主要的功耗消耗:對電容進(jìn)行充放電的跳變功耗,在電路反轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生的短路電流功耗和MOS器件的漏電流損耗。其原理如下:當(dāng)輸入電平為低時,PMOS管會對輸出節(jié)點上的電容進(jìn)行充電,當(dāng)輸入電平為高電平時,NMOS會對電容進(jìn)行放電,從而達(dá)到反相器的效果,在這一過程中形成了MOS管的動態(tài)功耗,如下圖1所示。

        PN結(jié)反向電流14(PN-junction Reverse Current)

        源極和漏極之間的亞閾值漏電流12(sub-thresholdCurrent)

        柵極漏電流,包括柵極和漏極之間的感應(yīng)漏電流13(Gate Induced Drain Leakage)

        柵極和襯底之間的隧道漏電流11(Gate Tunneling)

        靜態(tài)功耗主要于工藝有關(guān)。由于無線充電是數(shù)?;旌想娐罚蕦刂破鞯脑O(shè)計要考慮模擬方面的需求,采用的是0.25un,5 V的標(biāo)準(zhǔn)CMOS數(shù)模混合庫。

        2無線充電設(shè)計的總體架構(gòu)

        根據(jù)無線充電QI協(xié)議中控制器的設(shè)計要求,其控制器的設(shè)計架構(gòu)如下圖3a所示。該架構(gòu)主要有:狀態(tài)機,計數(shù)器,選擇器和移位寄存器構(gòu)成。狀態(tài)機的設(shè)計如下所示,主要負(fù)責(zé)計數(shù)器的啟動,在不同的狀態(tài)下接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)包,并進(jìn)行CRC的比對,但在協(xié)議中使用的狀態(tài)只有ping,selection,identication,powertransfer,在這四個狀態(tài)下由于在identification狀態(tài)下需要控制的信號較多,為避免瞬時功耗太高,將此狀態(tài)根據(jù)數(shù)據(jù)包的不同進(jìn)行了如下圖所示的劃分。計數(shù)器:由于控制器需要不斷監(jiān)控電路以及接收方的充電情況,所以需要不斷接收數(shù)據(jù)包,不同的數(shù)據(jù)包的data位寬是不一樣的,故需要計數(shù)器對發(fā)送來的數(shù)據(jù)位進(jìn)行計數(shù),同時不同的數(shù)據(jù)包之間有一定的時序要求,當(dāng)超過一定的時間時未接收到相應(yīng)的數(shù)據(jù)包,則電路進(jìn)行斷電處理。移位寄存器用來存儲接收方發(fā)送過來的識別配置數(shù)據(jù)包以及當(dāng)前充電的狀態(tài)和電量的多少等,并將接收到的串行信號轉(zhuǎn)變?yōu)椴⑿行盘枴?/p>

        3低功耗設(shè)計技術(shù)。

        3.1采用二級門控時鐘電路控制功耗

        時鐘信號是整個電路設(shè)計中反轉(zhuǎn)率最高的信號,由此而帶來的動態(tài)功耗是相當(dāng)大。但是在單個時鐘周期中,需要工作的模塊并不是很多,故在設(shè)計中利用RTL特有的編碼方式,在綜合的過程中加入相應(yīng)的命令,就可以采用門控時鐘的設(shè)計方式來降低功耗,但是一般情況下采用一級門控時鐘控制,但是由于無線充電對于功耗的要求,在這里采用二級門控時鐘,其相應(yīng)的電路圖如下所示,從圖4a與圖4b中可以看出,與一級門控時鐘相比,二級門控時鐘減少了三個與門而多了一個CGcell,且它能在減少系統(tǒng)面積的同時也降低了組合邏輯電路的功耗和第二級CGcell的功耗。門控基本原理就是通過關(guān)閉芯片上暫時用不到的功能和它的時鐘,從而實現(xiàn)節(jié)省電流消耗的目的。

        3.2分段式的移位寄存器

        對于QI協(xié)議的控制器,需要接收很多數(shù)據(jù)包,其中數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)如下圖5a所示,在設(shè)計中為了降低移位寄存器的翻轉(zhuǎn)率,我們將移位寄存器按照8bit一組進(jìn)行了劃分,如下圖5b所示,很明顯在存儲數(shù)據(jù)的時候只對當(dāng)前的8bit寄存器翻轉(zhuǎn)。

        3.3計數(shù)器的設(shè)計

        在接收數(shù)據(jù)包的過程中,需要不斷地監(jiān)控時間,所以就要用到計數(shù)器,在通常地設(shè)計中,用的是同步計數(shù)器,計數(shù)器主要是由觸發(fā)器構(gòu)成,在同一時鐘下,所有觸發(fā)器是同時翻轉(zhuǎn)的,所以增加不必要的功耗,采用Jk觸發(fā)器構(gòu)成的異步計數(shù)器,在每次計數(shù)時只有第一級觸發(fā)器連接高電平,第二級觸發(fā)器由第一級的輸出端的下降沿驅(qū)動,第三級觸發(fā)器由第二級的輸出端的下降沿驅(qū)動,以此進(jìn)行,來降低功耗,如下圖6所示

        3.4狀態(tài)機的編碼方式

        一般來說狀態(tài)的轉(zhuǎn)變是按照流程一步步走下來即可,但是在跳變的過程中會因為編碼的方式而造成功耗多少的不同,一般來說,在設(shè)計時,盡量采用格雷編碼方式,相鄰狀態(tài)之間只有一位數(shù)據(jù)發(fā)生變化,從而降低了功耗。

        4功耗分析結(jié)果

        無線充電設(shè)計是一種數(shù)?;旌系碾娐?,故本次使用CSMC 0.25 gm 5 V enhance BCDMOS的標(biāo)準(zhǔn)單元的庫,其經(jīng)過功耗優(yōu)化之后結(jié)果如下圖7a所示。

        與下圖7b中未進(jìn)行功耗優(yōu)化的電路相比,可以發(fā)現(xiàn)其功耗大幅度降低,功耗優(yōu)化率達(dá)到了30%。

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