重点推荐！三种调解处理器系统功耗的方法_功耗_处置器

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（图片来自网络侵删）

随着新型处理器的实行效率飞速提高，其对打算能力的追求有时超过了冷却系统的能力。
而且，机器和散热设计常日是末了完成的研发步骤。
因此，在设计的过程中可能在末了阶段才创造超过了散热系统的限定。
设计师常日需优化系统并找到可接管的折上钩划。

Teledyne e2v作为高可靠性微处理器的领导者，多年来一贯致力于提高超越标准性能指标的定制处理器的核心竞争力，使系统设计师能够增加系统安全的余量，并优化SWaP (尺寸，重量和功耗）。

本文将先容Teledyne e2v为系统设计师供应的定制方案，以调度高可靠性处理器系统的功耗。

在大多数情形下，选择一种或多种定制的方案可大大提高设计的代价。
这里将谈论以下三种方案：

优化功耗。
包括根据客户的运用需求选择得当的处理器，并优先选择低功耗的器件。

优化封装的热阻。
在大多数情形下也可以保护电路和裸片。

提高最大节温(TJ)。
这须要额外测试器件在高温下的事情情形和利用寿命。
重点是如何量化这些测试，由于升高的温度会影响器件的失落效率。

Teledyne e2v的高可靠性微处理器在国防、宇航等高可靠性领域已做事了几十年的韶光。
本日，当代处理器的发展紧张依赖诸如无人驾驶等未来的新市场推动。
因此，像NXP这样的大供应商对高可靠性产品的供应链有深远的影响。
许多运用对这些产品并没有很严格的可靠性哀求。
同时，SWaP（尺寸，重量和功耗）对付航空、国防乃至宇航等严苛环境的运用非常主要。
本文将重点先容如何选择用于这些运用的处理器。
毕竟，处理器是系统中的主要器件，会产生系统中大部分的功耗（SWaP中的P）。
其余，散热系统须要利用散热器，影响系统的尺寸和重量（SWaP中的S和W）。

处理器功耗的背景知识

每一代处理器的功耗需求都在逐步增加。
研究特定器件的电参数是一件繁芜的事情，尤其对付准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处理器LS1046的数据手册里摘录的，包含2种处理器时钟频率（1.6和1.8GHz）和3种节温（标称值65, 85和105℃）时的功耗。
其余，图中还标出了三种不同的功耗模式：范例、散热和最大。
可以看出，在不同的事情环境，器件的功耗可能会相差一倍。
这解释散热管理是处理器的主要设计指标。

常日情形下，厂商制订的器件标准规格会包含一些余量，以兼容不同批次的差异。
例如，如果某个客户的运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但功耗太大的结论，从而不选用这款器件。
实际上，我们后面会看到，采纳一些方法可以减少器件的功耗至空想的范围。

表 1: NXP LS1046 处理器的功耗

三种办理方法

方法1: 优化功耗

这包括评估一系列目标器件，并对它们做干系测试，剖析功耗的分布。
终极的目的是为某一个特定的运用筛选出功耗最佳的器件。

如果器件的利用情形被明确定义，功率筛选可以使处理器知足其利用的哀求。
但是，这须要非常精确地理解器件如何在特定的运用中事情。
对此，并没有快速的办理方案，人们只能利用功率筛选得出尽可能详细的剖析结果。
在某个特定的项目中，Teledyne e2v通过结合客户运用的哀求和功耗筛选，成功将图1中器件在最坏情形下的功耗降落了46%。

这样，起初由于功耗太大而被认为不适宜这个任务的器件，现在可以被用户充满信心地设计到系统中。

图 1: T1042 处理器最坏情形下的功耗 vs. 客户目标运用中的功耗

这并不是一件随意马虎实现的事情。
我们须要理解处理器的功耗包含下面两个要素：

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——打算能力所需的功耗。
对付多核处理器，对付不同的瞬时打算负载，这个功耗可能有很大差异。

Teledyne e2v对功耗的独特见地

经由和NXP(之前是Freescale)几十年的互助，Teledynee2v建立了高性能处理器的专业知识体系，并可得到和原始制造商相同的工具、产品测试向量和测试程序。
这使得Teledyne e2v可通过筛选和测试的办法供应定制的功耗优化方案。

Teledyne e2v对处理器参数测试表明当代处理器有以下几点常见特性：

不同的器件的静态功耗差异显著。

在低温环境静态功耗可能靠近0，但在125℃时可能占总功耗的40%乃至更多（拜会图2）。

动态功耗由用户的利用情形决定。
不同器件、不同温度和不同的批次对其影响不大。

处理器功耗和环境温度的关系

图2表示对付一款真实的处理器节温和静态功耗的范例关系曲线。
随着节温（Tj）的升高，功耗非线性增加。
在这个例子里，随着温度从45℃上升到125℃（标称最大值），静态功耗增加了3倍，从4W升高到14W。
因此，降落功耗的方法之一是通过加强的散热系统降落节温。

图2: 静态功耗和节温的范例关系

这个曲线也表明，无法同时改进处理器SWaP的所有要素。
如果想优化功耗，则必须降落节温，而利用散热器，则会增加设备的尺寸和重量。

因此，虽然SWaP是一个核心的设计要素，但常日须要作出下面的妥协：

降落功耗

或减少散热系统以减少尺寸和重量

Teledyne e2v可供应优化功耗的处理器器件

Teledyne e2v从NXP获取原始测试向量、等效测试工具和测试技能，并研发新的处理器性能优化技能，以供应定制功耗的产品。
其余，Teledyne e2v可对特定的用户运用做深入的功耗剖析，找出特殊的动态功耗需求。

成果：降落功耗

图1中可以看出T1042四核处理器的功耗情形。
商业器件的规格书表明在最坏情形下器件的功耗高达8.3W(1.2GHz时钟，Tj是125℃）。
但是，用户可以降落功耗至4.5W。
如果不是由于功耗的降落，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运用的剖析，Teledyne e2v担保特定器件的功耗大约是原始器件

预期功耗的一半。

这可帮助降落功耗并简化项目的散热设计。

方法2: 定制封装

包括修正或重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：

可降落节温，从而降落功耗（假设利用相同的散热器）。
在另一方面，也可以减少冷却系统的尺寸和重量，由于热阻(Rth)越小，所需散热器越大。

•可加强器件的震撼防护，并简化冷却系统和处理器的传热接口。

•选择利用或不该用封装盖，以进一步改进散热性能

大多数处理器都有封装盖，用于散热和保护器件裸片。
取决于不同的运用，有些设计师可能会选择有封装盖的设计，从而更随意马虎地集成散热器；而另一些设计师则选择无封装盖的设计，由于他们无法接管封装盖带来的额外的热阻。
在另一方面，封装盖会显著降落节到板子的热阻，对付紧张依赖印制电路板(PCB)散热的运用非常有利。

图3: LS1046有盖设计(上)和T1040无盖设计(下)

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，常日设计师无法选择，由于这是商用货架产品(COTS)。
而Teledyne e2v可根据用户的需求，帮助用户增加或移除封装盖。

Teledyne e2v可供应定制的封装

Teledyne e2v拥有重封装半导体器件的专业知识和丰富的履历。
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还可帮助客户对封装重新植球，改变焊接流程，以知足一些宇航客户的特定需求（如采取不含锡铅合金的材料以防止在宇航运用中涌现锡须）。

成果: 定制的封装

最近Teledyne e2v做了一项为NXP T1040处理器加上封装盖的可行性研究。
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革。
由于增加了封装盖，节到板的热阻大约是4.66℃/W的一半，比标准封装低落了9℃/W。
而节到顶部的热阻却从少于0.1℃/W增加到0.85℃/W。

图4: T1040可选的封装盖

关于改进封装的进一步思考

空想的散热设计是不该用散热器，所有的热量都通过PCB传导。
虽然这听起来有些不现实，但在某些运用中确实是值得考虑的方案。
考虑到多层PCB的热阻较低，通过改进封装，降落节到PCB板的热阻，可使相称部分的热量通过PCB传导，减小散热器的设计压力，并减少利用相同散热器的设计的功耗（通过降落节温）。
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，在热性能方面却有显著的差异。
由于PC8548利用了陶瓷基板，节到板的热阻（3℃/W）比塑封版本的热阻（5℃/W）降落了60%。

虽然上述的两个例子都是关于降落节到板的热阻，相似的方法也可被用于降落节到封装顶部的热阻。

方法3: 扩展的节温(即大于125℃)

这个优化方法考虑到硅片在超过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运用。
较高的事情节温可为运用供应较大的余量。
但是，正如前面先容的，较高的温度会显著提高功耗（参考图2）。
高节温适宜用于许可短韶光动态功耗迅速爆发的运用。
用户需把稳这种爆发需知足系统散热设计的哀求。

Teledyne e2v可供应扩展温度的器件

Teledyne e2v拥有专业的产品知识和测试履历，结合不同的产品质量标准，可与客户深入谈论扩展温度范围对器件事情寿命的影响。
Teledyne e2v已经可以供应高达125℃的NXP处理器——超过了商业器件105℃的限定。

成果: 扩展的温度范围

经由可行性评估，Teledyne e2v可供应较高事情节温的定制IC的产品规格。
制订产品规格时需仔细考虑如下的四个问题：

扩展节温事情的四个问题：

为了提高事情节温，需评估以下四个问题：

性能：在较高的温度下，处理器可能无法知足某些电特性需求。
Teledyne e2v的测试表明可能须要降落最高时钟频率以知足手册上指标（参考图5）。
因此，如果需器件在扩展温度范围正常事情，可能需降落某些规格参数。

可靠性：随着温度升高，硅器件的可靠性以非线性的办法连忙低落，可参考阿列纽斯等式。
图6表示NXP处理器在高达105℃范围内的范例FIT(失落效率）。
将曲线延伸到150℃，器件的可靠性与105℃时比较降落了10倍。
目标运用必须能许可上述可靠性的低落。

功耗:如图2所示，功耗随着温度上升迅速增加，这意味着在扩展温度范围事情需承受更高的功耗。

需验证封装承受高温的能力。
特殊是塑封环氧树脂封装，在大约160℃时开始恶化。
可考虑利用高温环氧树脂重新封装的方案。

图 5: 高温（>100℃）时1.8GHz时钟频率限定的例子

考虑以上四个问题，可帮助判断是否需扩展特定运用的器件的高温限定、调度电气参数或改换封装材料。
Teledyne e2v供应的定制服务依赖于客户对其任务的理解和事情寿命的剖析，包括扩展温度条件会持续多久，高温条件是瞬时还是稳定的状态等。
无论是哪个方面，Teledyne e2v都可以供应专业的建议。