芯海科技CSCE2010 的低功耗 IO设计

移动电子设备通常都是内嵌电池供电，设备的使用/待机时间时刻影响着用户体验。而低功耗的芯片设计，能够极大的降低电子设备的系统功耗，是提升设备续航能力的关键。
 

芯海科技CSCE2010是一款专为主流消费级笔记本市场打造的32位高性能EC芯片，具有高扩展性、低功耗和开发便捷性的产品特点，已通过英特尔PCL（平台器件列表）认证，以其出色的低功耗IO设计，为笔记本电脑带来更长的续航时间。

 

 

 

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MCU 低功耗设计

芯片的实质是由逻辑门构成的复杂电路网络。探讨芯片功耗时，我们通常将芯片功耗区分为两种主要类型：静态功耗和动态功耗。

 

 

静态功耗，主要由 COMS 电路中器件的漏电流所引起。采用先进的生产工艺技术，能够有效降低静态功耗。

 

 

动态功耗，则与芯片器件在工作时的电能消耗密切相关。例如当电路中的信号发生翻转，就会产生短路功耗。同时，驱动元件对负载电容进行充放电时也会产生功耗。这种功耗随着芯片工作状态而变化，因此优化动态功耗需要从电路了设计、工作频率、电压等方面综合考虑。

功耗构成：静态功耗与动态功耗

 

为了降低上述两种功耗，需运用优化时钟管理、电源管理、设计多种低功耗工作模式，以及通过软件优化来减少不必要的计算和中断，从而达到降低整体功耗的目的。

 

 

1.  时钟管理

 

● 多时钟域，将不同功能模块设置在不同频率的时钟域

 

 

● 时钟调节，根据工作负载动态调整时钟频率

 

 

● 时钟门控，在空闲时关闭不需要工作模块的的时钟

 

 

2.  电源管理

 

● 多电源域设计，独立控制不同模块的电源

 

 

● 动态电压频率缩放(DVFS)，根据负载动态调整电压和频率

 

 

● 降低内核工作电压、IO 输出电压

 

 

3.  低功耗模式

 

● 空闲模式，在CPU空闲时进入低功耗状态

 

 

● 睡眠模式，在系统大部分单元不工作时切换到极低功耗状态

 

 

● 掉电模式，保留最少的电路在运行,实现超低功耗

 

 

4.  软件优化

 

● 避免冗长/无效的计算

 

 

● 合理使用中断,避免不必要的中断

 

 

● 采用低功耗编码算法

 

 

根据基础的物理原理，电路的功率与流经电路的电压和电流的乘积成正比。然而，芯片的动态功耗受多个因素影响，不仅仅局限于电压和电流，其动态功耗的计算公式可简化如下：P=C*f*N*V²。

 

 

其中：

 

 

● C：代表结点电容

 

 

● f ：表示器件工作频率

 

 

● N：是在单时钟周期内翻转的器件数目

 

 

● V：代表器件的工作电压

 

 

因此可见，通过降低芯片内核的工作电压，可以有效降低芯片的功耗。同理，芯片对外 的IO 输出驱动也会产生功耗，因此降低 IO 驱动电流同样能有效降低芯片的整体功耗。

 

 

 

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CSCE2010的低功耗IO设计

2023年9月， Intel发布了Meteor Lake架构的CPU ，该架构在低功耗设计领域做出了很多改进，其中IO接口已全面升级为1.8V，这一重要改进为降低系统功耗做出了显著贡献。

 

 

 

 

芯海科技CSCE2010 作为一款高度集成、兼容性能出色的 EC 产品，在设计上展现了其独特的创新。在对外连接的IO方面， 采用了独立电源域设计，使得它在接入不同电压需求的平台时，都能游刃有余地应对。

当与 Meteor Lake 平台1.8V的IO接口相连时，CSCE2010 能够支持1.8V 输入输出（推挽输出），而且无需借助外部上拉电阻，从而大大简化了接口电路，不仅提升了设备的电气性能，还降低了能耗。 
更为出色的是，如果需要将CSCE2010 连接到其他使用3.3V IO的CPU平台，它同样可以轻松应对。产品可以灵活的切换为 3.3V的输入输出（推挽输出）模式，并且也无需外部上拉电阻。从而增强了产品的通用型和适应性，满足多样化的应用场景需求。
CSCE2010 独特的 IO 电源设计，不仅展现了其优秀的灵活性与兼容性，更在实际应用中为客户带来了显著便利。通过减少硬件设计中的互联线路复杂性，帮助客户简化了整体设计流程，同时降低了物料清单（BOM ）成本，从而为客户创造了更多的价值。

 

 

 目前，该EC产品已经成功导入各类CPU平台项目， 通过实际应用充分验证了其广泛的兼容性。

 

 

除此之外，CSCE2010还集成了 I2C、SPI、UART、I3C、TIMER、eSPI 等丰富外设接口。考虑到不同外设工作需要的频率不同，芯片创新地采用多级 PLL 分频设计，以确保在满足各种外设最小频率要求的同时，最大限度地降低芯片运行功耗。其次，为了更好地满足PC系统在不同使用场景下的低功耗需求，CSCE2010还设计 了Sleep、 DeepSleep 两种低功耗模式，进一步提升效能表现。

 

 

 

 

 

芯海科技始终将技术创新视为驱动业务发展的核心力量，致力于构建以EC为核心，横向拓展至PD、HUB、BMS、HapticPad等多元化计算外围产品的PC生态。

 

 

未来，芯海科技将持续加强和完善PC系列产品的战略布局。通过PC生态产品的系列化、平台化创新，为全球PC供应链注入更多活力，为客户提供更具竞争力特性的PC产品。