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三种调整处理器系统功耗的方法

时间:70-01-01 08:00 来源:

择要

跟着新型处置惩罚器的履行效率飞速前进,其对谋略能力的 追求无意偶尔跨越了冷却系统的能力。而且,机器和散热设 计平日是着末完成的研发步骤。是以,在设计的历程中可能在着末阶段才发明跨越了散热系统的限定。设计师 平日需优化系统并找到可吸收的折中规划。

Teledyne e2v作为高靠得住性微处置惩罚器的引导者,多年来 不停致力于前进逾越标准机能指标的定制处置惩罚器的核心竞争力,使系统设计师能够增添系统安然的余量,并优 化SWaP (尺寸,重量和功耗)。

本文将先容Teledyne e2v为系统设计师供给的定制方 案,以调剂高靠得住性处置惩罚器系统的功耗。

在大年夜多半环境下,选择一种或多种定制的规划可大年夜大年夜提 高设计的代价。这里将评论争论以下三种规划:

1. 优化功耗。包括根据客户的利用需求选择相宜的处置惩罚 器,并优先选择低功耗的器件。

2. 优化封装的热阻。在大年夜多半环境下也可以保护电路和 裸片。

3. 前进最大年夜节温(TJ)。这必要额外测试器件在高温下的工 作环境和应用寿命。重点是若何量化这些测试,由于升 高的温度会影响器件的掉效率。

Teledyne e2v的高靠得住性微处置惩罚器在国防、宇航等 高靠得住性领域已办事了几十年的光阴。本日,今世处 理器的成长主要寄托诸如无人驾驶等未来的新市场推 动。是以,像NXP这样的大年夜供应商对高靠得住性产品的 供应链有深远的影响。许多利用对这些产品并没有很 严格的靠得住性要求。

同时,SWaP(尺寸,重量和功耗)对付航空、国防以致 宇航等严苛情况的利用异常紧张。本文将重点先容若何 选择用于这些利用的处置惩罚器。终究,处置惩罚器是系统中的 紧张器件,会孕育发生系统中大年夜部分的功耗(SWaP中的 P)。别的,散热系统必要应用散热器,影响系统的尺 寸和重量(SWaP中的S和W)。

处置惩罚器功耗的背景常识

每一代处置惩罚器的功耗需求都在慢慢增添。钻研特定器 件的电参数是一件繁杂的事情,尤其对付筹备办理系统 级设计问题的设计师。

表1是从四核ARM Cortex A72 64位Layerscape处置惩罚器 LS1046的数据手册里摘录的,包孕2种处置惩罚器时钟频率 (1.6和1.8GHz)和3种节温(标称值65, 85和105℃) 时的功耗。别的,图中还标出了三种不合的功耗模式: 范例、散热和最大年夜。可以看出,在不合的事情情况,器 件的功耗可能会相差一倍。这阐明散热治理是处置惩罚器的 紧张设计指标。

平日环境下,厂商拟订的器件标准规格会包孕一些余量,以兼容不合批次的差异。例如,假如某个客户的应 用必须用到最高的节温,看了表1他可能会得出这款处 理器虽然功能强大年夜但功耗太大年夜的结论,从而不选用这款 器件。实际上,我们后面会看到,采取一些步伐可以减 少器件的功耗至抱负的范围。

表 1: NXP LS1046 处置惩罚器的功耗

三种办理措施

措施1: 优化功耗

这包括评估一系列目标器件,并对它们做相关测试, 阐发功耗的散播。终极的目的是为某一个特定的利用筛 选出功耗最佳的器件。

假如器件的应用环境被明确定义,功率筛选可以使处 理器满意其应用的要求。然则,这必要异常正确地懂得 器件若何在特定的利用中事情。对此,并没有快速的解 决规划,人们只能应用功率筛选得出尽可能具体的阐发 结果。在某个特定的项目中,Teledyne e2v经由过程结合客 户利用的请乞降功耗筛选,成功将图1中器件在最坏情 况下的功耗低落了46%。

这样,起先因为功耗太大年夜而被觉得不得当这个义务的器 件,现在可以被用户充溢信心地设计到系统中。

图1: T1042处置惩罚器最坏环境下的功耗 vs.客户 目标利用中的功耗

这并不是一件轻易实现的工作。我们必要懂得处置惩罚器 的功耗包孕下面两个要素:

• 静态功耗——IC的所有内部外设所需的功耗,与器件性 能和运行的代码无关。

• 动态功耗——谋略能力所需的功耗。对付多核处置惩罚器, 对付不合的瞬时谋略负载,这个功耗可能有很大年夜差异。

Teledyne e2v对功耗的独特看法

颠末和NXP(之前是Freescale)几十年的相助,Teledyne e2v建立了高机能处置惩罚器的专业常识体系,并可得到和原 始制造商相同的对象、产品测试向量和测试法度榜样。这使 得Teledyne e2v可经由过程筛选和测试的要领供给定制的功 耗优化规划。 Teledyne e2v对处置惩罚器参数测试注解现代处置惩罚器有以 下几点常见特点:

• 不合的器件的静态功耗差异显明。

• 在低温情况静态功耗可能靠近0,但在125℃时可能占总 功耗的40%以致更多(拜见图2)。

• 动态功耗由用户的应用环境抉择。不合器件、不合温 度和不合的批次对其影响不大年夜。

处置惩罚器功耗和情况温度的关系

图2表示对付一款真实的处置惩罚器节温和静态功耗的范例 关系曲线。跟着节温(Tj)的升高,功耗非线性增添。 在这个例子里,跟着温度从45℃上升到125℃(标称最 大年夜值),静态功耗增添了3倍,从4W升高到14W。是以, 低落功耗的措施之一是经由过程加强的散热系统低落节温。

图2: 静态功耗和节温的范例关系

这个曲线也注解,无法同时改良处置惩罚器SWaP的所有 要素。假如想优化功耗,则必须低落节温,而应用散 热器,则会增添设备的尺寸和重量。

是以,虽然SWaP是一个核心的设计要素,但平日必要 作出下面的退让:

• 低落功耗 • 或削减散热系统以削减尺寸和重量

Teledyne e2v可供给优化功耗的处置惩罚器器件

Teledyne e2v从NXP获取原始测试向量、等效测试对象 和测试技巧,并研发新的处置惩罚器机能优化技巧,以供给 定制功耗的产品。别的,Teledyne e2v可对特定的用户 利用做深入的功耗阐发,找出特其余动态功耗需求。

成果:低落功耗

图1中可以看出T1042四核处置惩罚器的功耗环境。商业器件 的规格书注解在最坏环境下器件的功耗高达8.3W(1.2GHz 时钟,Tj是125℃)。然则,用户可以低落功耗至4.5W。 假如不是由于功耗的低落,客户可能从一开始就不会选 用T1042。

基于加强的器件测试和对用户实际利用的分 析,Teledyne e2v包管特定器件的功耗大年夜约是原始器件 预期功耗的一半。这可赞助低落功耗并简化项目的散热设计。

措施2: 定制封装 包括改动或从新设计标准器件的封装,以减小节到板子的热阻,或节到封装顶部的热阻:

• 可低落节温,从而低落功耗(假设应用相同的散热器)。在另一方面,也可以削减冷却系统的尺寸和 重量,由于热阻(Rth)越小,所需散热器越大年夜。

•可加强器件的震荡防护,并简化冷却系统和处置惩罚器的 传热接口

•选择应用或不应用封装盖,以进一步改良散热机能

大年夜多半处置惩罚器都有封装盖,用于散热和保护器件裸片。 取决于不合的利用,有些设计师可能会选择有封装盖的 设计,从而更轻易地集成散热器;而另一些设计师则选 择无封装盖的设计,由于他们无法吸收封装盖带来的额 外的热阻。在另一方面,封装盖会显明低落节到板子的 热阻,对付主要寄托印制电路板PCB)散热的利用异常 有利。

如图3,有些器件是带有封装盖的(如LS1046),有些器 件则不带封装盖(如T1040)。对此,平日设计师无法选 择,由于这是商用货架产品(COTS)。而Teledyne e2v可 根据用户的需求,赞助用户增添或移除封装盖。

图3: LS1046有盖设计(上)和T1040无盖设计(下)

Teledyne e2v可供给定制的封装

Teledyne e2v拥有重封装半导体器件的专业常识和丰 富的履历。这不仅仅包括特定封装的开拓,例如专门为 Teledyne e2v的EV12AQ600模数转换器开拓的封 装,此外,Teledyne e2v还可赞助客户对封装从新植 球,改变焊接流程,以满意一些宇航客户的特定需求 (如采纳不含锡铅合金的材料以防止在宇航利用中呈现 锡须)。

成果: 定制的封装

近来Teledyne e2v做了一项为NXP T1040处置惩罚器加上 封装盖的可行性钻研。可选的封装盖的机器尺寸如图 4。Teledyne e2v也估算了散热指标的变更。因为增添 了封装盖,节到板的热阻大年夜约是4.66℃/W的一半,比标 准封装下降了9℃/W。而节到顶部的热阻却从少于 0.1℃/W增添到0.85℃/W。

图4: T1040可选的封装盖

关于改进封装的进一步思虑

抱负的散热设计是不应用散热器,所有的热量都经由过程 PCB传导。虽然这听起来有些不现实,但在某些利用中 确凿是值得斟酌的规划。斟酌到多层PCB的热阻较低, 经由过程改进封装,低落节到PCB板的热阻,可使相称部分 的热量经由过程PCB传导,减小散热器的设计压力,并削减 应用相同散热器的设计的功耗(经由过程低落节温)。一个 范例的例子是Teledyne e2v的PC8548(陶封基板)。 它等效于NXP的MPC8548(塑封基板)。虽然它们在 尺寸上类似,在热机能方面却有显明的差别。因为 PC8548应用了陶瓷基板,节到板的热阻(3℃/W)比 塑封版本的热阻(5℃/W)低落了60%。

虽然上述的两个例子都是关于低落节到板的热阻,相 似的措施也可被用于低落节到封装顶部的热阻。

措施3: 扩展的节温(即大年夜于125℃)

这个优化措施斟酌到硅片在跨越传统商业级标准器件的 温度范围时正常事情的可行性。实际上,硅片并不仅仅 能事情在125℃,也可用于较高温度的利用。较高的工 作节温可为利用供给较大年夜的余量。然则,正如前面先容 的,较高的温度会显明前进功耗(参考图2)。高节温 得当用于容许短光阴动态功耗迅速爆发的利用。用户需 留意这种爆发需满意系统散热设计的要求。

Teledyne e2v可供给扩展温度的器件

Teledyne e2v拥有专业的产品常识和测试履历,结合不 同的产品德量标准,可与客户深入评论争论扩展温度范围对 器件事情寿命的影响。Teledyne e2v已经可以供给高达 125℃的NXP处置惩罚器——跨越了商业器件105℃的限定。

成果: 扩展的温度范围

颠末可行性评估,Teledyne e2v可供给较高事情节温 的定制IC的产品规格。拟订产品规格时需仔细斟酌如下 的四个问题:

扩展节温事情的四个问题:

为了前进事情节温,需评估以下四个问题:

• 机能:在较高的温度下,处置惩罚器可能无法满意某些电特 性需求。Teledyne e2v的测试注解可能必要低落最高 时钟频率以满意手册上指标(参考图5)。是以,假如需 器件在扩展温度范围正常事情,可能需低落某些规格参 数。

• 靠得住性:跟着温度升高,硅器件的靠得住性以非线性的方 式连忙下降,可参考阿列纽斯等式。图6表示NXP处置惩罚器 在高达105℃范围内的范例FIT(掉效率)。将曲线延伸到 150℃,器件的靠得住性与105℃时比拟低落了10倍。目标 利用必须能容许上述靠得住性的下降。

• 功耗:如图2所示,功耗跟着温度上升迅速增添,这意味着在扩展温度范围事情需遭遇更高的功耗。

• 需验证封装遭遇高温的能力。分外是塑封环氧树脂封 装,在大年夜约160℃时开始恶化。可斟酌应用高温环氧树脂 从新封装的规划。

图 5: 高温(》100℃)时1.8GHz时钟频率限定的例子

斟酌以上四个问题,可赞助判断是否需扩展特定利用的 器件的高温限定、调剂电气参数或替换封装材料。 Teledyne e2v供给的定制办事依附于客户对其义务的 理解和事情寿命的阐发,包括扩展温度前提会持续多 久,高温前提是瞬时照样稳定的状态等。无论是哪个方 面,Teledyne e2v都可以供给专业的建议。

图 6: 温度延展到150℃时的范例掉效率

三种调剂处置惩罚器功耗的措施

本文评论争论了Teledyne e2v若何基于和NXP的经久计谋 相助供给定制处置惩罚器的办事。这种定制化可基于Power 架构(例如T系列处置惩罚器T1042)或ARM架构(例如 Layerscape LS1046)。这里列出了三种为恶劣情况 的利用优化功耗并定制处置惩罚器的规划:

• 优化特定功耗的功耗筛选

• 增强散热能力的定制化封装

•前进容许的最高节温(Tj)以支持大年夜动态功耗需求

Teledyne e2v拥有自力的测试、质量治理体系和专业的 产品工程师,结合和NXP经久的相助关系,可为特定复 杂利用的客户供给专业、高靠得住性的处置惩罚器功率优化方 案。

假如您依然不确定这种定制的处置惩罚器规划是否是较好的 选择,我们建议您联系Teledyne e2v,和我们探究您的 需乞降碰到的寻衅。您必然会对这种定制化规划带来的 代价惊疑不已。

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