隨著人們生活質(zhì)量的提高，對各種便攜電子產(chǎn)品的功能要求越來越高，而復(fù)雜的功能會導(dǎo)致設(shè)備的功耗大幅增加。人們期望便攜式電子產(chǎn)品的電池?fù)碛懈L的壽命，不僅僅是為了使用上的便利，同時也是為了減少對環(huán)境的傷害。這對電源管理系統(tǒng)的設(shè)計提出了更高的要求。
在電池供電的嵌入式系統(tǒng)中，或采用高效率的電源管理芯片，或采用大容量的電池以解決能耗問題。但這兩種辦法已無法滿足快速增長的芯片動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗需求。
電路邏輯狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(造成瞬態(tài)開路電流和負(fù)載電流)會產(chǎn)生動態(tài)功耗，而未發(fā)生翻轉(zhuǎn)時的漏電流則是靜態(tài)功耗的主因。對一個給定負(fù)載的電路，其動態(tài)功耗的值與供電電壓的平方成正比，與電路的運行頻率成正比。隨著芯片運行頻率的提高和工藝尺寸的不斷縮小、密度增加，其動態(tài)功耗和靜態(tài)功耗也在不斷增長，加劇了電源管理的復(fù)雜性。
常見的電源節(jié)能方式
提高電源轉(zhuǎn)換效率的要求推動著電源從最初的LDO發(fā)展到今天效率超過90%的多模式DC/DC轉(zhuǎn)換器。LDO在輸入、輸出電壓差較小時有較高的效率，而DC/DC轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換效率與其負(fù)載有關(guān)。目前許多公司都推出了在不同負(fù)載情況下能改變控制模式的新型控制芯片。
由于電源轉(zhuǎn)換器的效率已經(jīng)接近極限，目前研究方向已轉(zhuǎn)向如何通過優(yōu)化電源管理系統(tǒng)的效率，以滿足便攜設(shè)備的要求。在這種設(shè)備中，總能量的30%~50%會被微處理器消耗。簡單地使用最新的半導(dǎo)體工藝并不能保證低功耗、高性能。例如，PC顯示卡領(lǐng)域的巨頭NVIDIA公司的GPU芯片的制造工藝并不總是最先進(jìn)的，但其高能低耗的特征卻是人們所共知的。
提高系統(tǒng)供電效率、減少無謂的能量損耗的節(jié)電技術(shù)可以分為兩類：動態(tài)技術(shù)和靜態(tài)技術(shù)。靜態(tài)技術(shù)使用不同的低功耗模式，對芯片內(nèi)部不同組件的時鐘或電源實行按需開關(guān)等。例如，大多數(shù)處理器具有多種節(jié)電模式，在空閑與睡眠模式下可以關(guān)閉部分模塊的時鐘信號來禁用內(nèi)部電路或模塊，也可以在某些節(jié)電模式下通過切斷或降低供電電壓實現(xiàn)節(jié)能目的。又如，在某些多相供電的電路中，當(dāng)負(fù)載較輕時，可以將其中某些供電的相回路關(guān)掉，這樣既能提高電源效率，又能降低損耗，AMD公司的PSI技術(shù)就是這種原理。
動態(tài)技術(shù)則是根據(jù)芯片所運行的應(yīng)用程序針對計算能力的不同需要，動態(tài)調(diào)節(jié)芯片的運行頻率和電壓，從而達(dá)到最大化節(jié)能的目的。對微處理器來說，內(nèi)核電壓可以根據(jù)內(nèi)部時鐘頻率與“工作負(fù)載”調(diào)節(jié)到最低與最高電壓之間的任何電壓值，這種方法稱為動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)。提供內(nèi)核電壓的轉(zhuǎn)換器必須能夠在運行過程中根據(jù)DVS規(guī)范調(diào)節(jié)輸出電壓。這種類型的轉(zhuǎn)換器通常與處理器之間有可以互相通信的數(shù)字接口，例如數(shù)字電源管理芯片常用的I2C接口、PowerWise接口等等。未采用數(shù)字接口的設(shè)計無法實現(xiàn)更多種電壓調(diào)節(jié)，但也有廠商推出了使用硬件管腳來設(shè)置輸出電壓的器件，例如TI公司的TPS65021、新產(chǎn)品TPS780xx。
動態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)技術(shù)與SoC有源和無源漏電管理技術(shù)一起使用時，能顯著降低SoC的功耗。例如Freescale的iMX31處理器、ARM公司的ARM處理器等。
為了使設(shè)計人員更方便地進(jìn)行電源管理，一些廠商開發(fā)了電源管理軟件模塊用于嵌入式操作系統(tǒng)。運用這種軟件模塊，可以有效地降低軟件編制中的工作量，同時優(yōu)化系統(tǒng)的電源管理。PC操作系統(tǒng)中的電源管理規(guī)范APM、APIC就是電源管理與操作系統(tǒng)結(jié)合的典范。
DVS與AVS的原理
1 DVS的工作原理
DVS通常用在為處理器供電的DC/DC變換器中。處理器工作在全速狀態(tài)下和空閑狀態(tài)下所需要的電壓是不同的，DVS使系統(tǒng)控制器可以在需要的時候改變DC/DC變換器的輸出電壓。在移動設(shè)備中，DVS顯著延長了電池的壽命，但并不影響用戶程序的運行時間。
現(xiàn)代的動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)技術(shù)與數(shù)字技術(shù)已經(jīng)融合在一起，它將處理器與電源轉(zhuǎn)換器連接在一起，通過I2C等數(shù)字總線動態(tài)地調(diào)節(jié)供電電壓，同時調(diào)節(jié)處理器的頻率。當(dāng)然，簡單的電源管理并不需要復(fù)雜管理總線，TI公司最新推出的TPS728xx系列LDO就是基于這種思想，它通過硬件管腳提供1～4種輸出電壓，可在運行時從中選擇1個電壓輸出，實現(xiàn)簡單的DVS。
圖1 DVS開環(huán)控制原理框圖
和AVS相比，動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)基于對系統(tǒng)的負(fù)載預(yù)測，在一個開環(huán)電壓控制系統(tǒng)中用多組不同能耗級別的頻率、電壓對來實現(xiàn)調(diào)節(jié)。因此，DVS的響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)精度較基于完全反饋的AVS還是稍遜一籌。圖1為DVS的原理框圖。
如果使用常規(guī)的DC/DC變換器實現(xiàn)DVS，在電路上需要增加一些額外的元器件進(jìn)行反饋，增加的元件包括MOSFET及一些電阻。反饋源可以取自處理器的輸出狀態(tài)引腳，它能表明處理器當(dāng)前是否處于低功耗模式。因此，實際上大多數(shù)電源芯片都可以實現(xiàn)DVS，一片可調(diào)輸出電壓的電源芯片和一個外部輸入的控制信號就足夠了。
2 AVS的工作原理
CPU和DSP對數(shù)據(jù)處理速度的要求不斷提高，對電源模塊的供電要求也就相應(yīng)地提高了，這主要體現(xiàn)在對電源的輸出電流大小及其變化率和輸出電壓峰峰值的要求上。相對于使用精巧的電路、大容量低ESR電容等缺乏靈活性的純硬件設(shè)計的缺點，AVS的引入不僅有利于電源模塊的熱設(shè)計，而且輸出電壓峰峰值小、恢復(fù)時間短，有效地改善了模塊的動態(tài)響應(yīng)，特別適用于低電壓、大電流的場合。
自適應(yīng)電壓調(diào)整AVS基于跟蹤系統(tǒng)處理器的性能變化，由嵌入式自適應(yīng)先進(jìn)電源控制器(APC)做出自適應(yīng)電壓調(diào)整。APC通過PowerWise接口將系統(tǒng)處理器的性能(頻率)、溫度變化準(zhǔn)確地傳遞給外部自適應(yīng)電源管理芯片。然后，該電源管理單元根據(jù)性能需求自動調(diào)整供給系統(tǒng)處理器的電壓，使處理器運行在能確保應(yīng)用軟件正確運行的最低電壓和頻率下。DVS和AVS的核心是先進(jìn)電源控制器(APC)。圖2為AVS的原理框圖。
圖2 AVS的閉環(huán)控制原理框圖
在DVS模式中，APC根據(jù)來自時鐘管理單元CMU的頻率請求，從內(nèi)部的DVS表中取出相應(yīng)的電壓值，并傳送給PMIC。然后使用一個定時器來延遲CMU對于頻率的確認(rèn)，直到電壓穩(wěn)定為止。
在AVS工作模式中，當(dāng)CMU為一個新的工作狀態(tài)請求一個新的頻率，并為該狀態(tài)設(shè)定一個新的HPM時鐘時，AVS的頻率就開始變化。隨后APC環(huán)路控制器使用硬件性能監(jiān)視器HPM數(shù)據(jù)來確定所需的調(diào)節(jié)頻率。它反復(fù)調(diào)節(jié)電源電壓，直到能滿足新頻率的要求(如圖3所示)。這一過程聽起來雖然比較復(fù)雜，但是具有補償工藝和溫度波動、時鐘頻率變化、電源變換器偏移等優(yōu)點。與電壓固定的系統(tǒng)相比，AVS模式實現(xiàn)的動態(tài)電壓控制最多能降低70%的功耗。
目前許多處理器芯片支持動態(tài)電壓、頻率控制，比如InteI公司的芯片支持SpeedStep，AMD公司芯片支持的NCQ技術(shù)，ARM支持的IEM(Intelligent Energy Manager)和AVS(Adaptive Voltage Scaling)等。不過，要讓動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)發(fā)揮作用，真正實現(xiàn)節(jié)能，只有芯片的支持還是不夠的，還需要軟件與硬件的綜合設(shè)計。
圖3 AVS的控制環(huán)路示意圖
一個典型的動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作流程如下(主要部件及關(guān)系參見圖3)。
①采集與系統(tǒng)負(fù)載有關(guān)的信息，計算當(dāng)前的系統(tǒng)負(fù)載。這個過程可以用軟件實現(xiàn)，也可以用硬件實現(xiàn)。軟件實現(xiàn)的過程是在操作系統(tǒng)的核心調(diào)用中安放鉤子，根據(jù)核心函數(shù)調(diào)用的頻度使用不同的算法來判斷系統(tǒng)的負(fù)載。CPU負(fù)載跟蹤與性能預(yù)測的工作也可以由硬件完成，如Freecscale的i.Mx31，通過采集一些核心信號中斷線、Cache、內(nèi)存總線的使用情況等，計算當(dāng)前的系統(tǒng)負(fù)載。這樣，一方面確保了負(fù)載計算的準(zhǔn)確性;另一方面減輕了CPU用于負(fù)載跟蹤與性能預(yù)測的負(fù)擔(dān)。不過，硬件實現(xiàn)的缺點就是無法靈活地選擇預(yù)測算法。
②根據(jù)系統(tǒng)的當(dāng)前負(fù)載，預(yù)測系統(tǒng)在下一時間段需要的性能。有多種預(yù)測算法可以選擇，要根據(jù)具體的應(yīng)用來決定。同樣的，預(yù)測也可由軟件或硬件實現(xiàn)。
③將預(yù)測的性能轉(zhuǎn)換成需要的頻率，從而調(diào)整芯片的時鐘設(shè)置。
④根據(jù)新的頻率計算相應(yīng)的電壓，并通知電源管理模塊調(diào)整供給CPU的電壓。這需要特別的電源管理芯片，比如Freescale公司的MC13783或者NS公司的支持PowerWise特性的系列電源管理芯片。它們能夠支持微小的電壓調(diào)整(25mV)并且能在極短的時間內(nèi)(幾十μs)完成電壓的調(diào)整。
綜上所述，支持閉環(huán)AVS功能的標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)配置必須有以下的基本元件：內(nèi)置于處理器的先進(jìn)電源控制器APC、集成PWI從屬器的電源管理芯片，以及將兩者連接在一起的PWI串行總線。電源管理集成電路負(fù)責(zé)為處理器提供不同的電壓，電壓大小則由先進(jìn)電源控制器內(nèi)的PWI主控器負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)，辦法是由主控器將有關(guān)的命令傳往PWI從屬器，再由相關(guān)的電路進(jìn)行調(diào)節(jié)。
先進(jìn)電源控制器APC負(fù)責(zé)接收主處理器的命令，為電壓控制過程提供一個不受處理器影響的操作環(huán)境，以及實時跟蹤邏輯電路的操作速度。APC永遠(yuǎn)處于戒備狀態(tài)，不斷監(jiān)測系統(tǒng)的一切參數(shù)，例如，系統(tǒng)溫度、負(fù)載、瞬態(tài)、工藝及其他有關(guān)的變動，每當(dāng)APC收到有關(guān)頻率即將轉(zhuǎn)變的消息，立刻分析判斷，以確定若以新頻率操作，系統(tǒng)最少需要多大供電電壓才可保持穩(wěn)定。整個過程由閉環(huán)電路負(fù)責(zé)監(jiān)控。
其他需要考慮的問題
電壓的降壓將導(dǎo)致與外部芯片接口的管腳的閾值電平發(fā)生變化，當(dāng)與外部邏輯相連時，必須使用電平變換邏輯進(jìn)行轉(zhuǎn)接，以適配接口兩側(cè)的閾值電平。例如一個電壓為0.8～1.2V的AVS電路和一個固定電壓1.2V的電路接口，則AVS電路的接口邏輯必須按照1.2V接口進(jìn)行適配設(shè)計。類似的，由于DVS或AVS可能導(dǎo)致的頻率變化，與外部的同步電路設(shè)計接口時，必須計算接口的時序余量，如果時序不能完全匹配，則還需要添加額外的同步或延時電路來進(jìn)行時序調(diào)整。
在調(diào)整頻率和電壓時，要特別注意調(diào)整的順序。當(dāng)頻率由高到低調(diào)整時，應(yīng)該先降頻率，再降電壓;相反，當(dāng)升高頻率時，應(yīng)該先升電壓，再升頻率。
輸出電壓范圍及電壓變化期間的斜率是必須考慮的兩個參數(shù)。在電壓發(fā)生變化的DVS周期中，必須控制輸出電壓的斜率，采用外部組件可以實現(xiàn)控制，也可以采用能夠在內(nèi)部降低參考電壓變化的調(diào)速電容器，或者部署能夠通過較小的步長(如25mV)將輸出電壓從初始值調(diào)節(jié)到目標(biāo)值的數(shù)字計數(shù)器等。
不斷降低的電壓電平對輸出電壓的精度也提出了更高的要求。因此，一般很難找到合適的標(biāo)準(zhǔn)器件來滿足相關(guān)需求。如果采用外部反饋分壓器，則電阻器的容差會增加內(nèi)部電路的總?cè)莶睢４祟愊到y(tǒng)中的整體精度始終低于采用內(nèi)部固定輸出電壓的解決方案，盡管后者需要2個額外的外接組件。因此，對于采用在工作過程中能夠微調(diào)的內(nèi)部電阻分壓器的轉(zhuǎn)換器而言，需要定義一系列不同的電壓，而且在-40～+85℃溫度范圍內(nèi)達(dá)到±1%的整體DC精度。
為了在不同的負(fù)載情況下實現(xiàn)最佳的瞬態(tài)響應(yīng)或較低的輸出電壓容差，還必須采取其他措施，除了內(nèi)部設(shè)計之外，還必須優(yōu)化外部元件。采用較低的電感值，電流能夠以較快的速度提高，這尤其適合快速瞬態(tài)響應(yīng)。在瞬態(tài)情況下，如果沒有負(fù)載，則較低的電感值較為有利，因為它將按照較低的電壓僅為輸出電容器充電并且具有較低的電壓過沖。
影響動態(tài)電壓與頻率調(diào)節(jié)技術(shù)得到廣泛應(yīng)用的另一個最關(guān)鍵因素是預(yù)測的可靠性。沒有一種預(yù)測算法是100%準(zhǔn)確的，也沒有一種算法可以應(yīng)用于所有的程序;而對于某些應(yīng)用(如音頻、視頻等)，預(yù)測失敗的結(jié)果是不可接受的。但隨著預(yù)測算法的進(jìn)步，動態(tài)電壓、頻率控制技術(shù)必將得到廣泛的應(yīng)用，因為它能夠節(jié)省很多能量。而節(jié)能對許多便攜式設(shè)備來說，常常是第一要求。
總結(jié)
電源管理對手持設(shè)備具有日趨重要的意義。一個合理優(yōu)化的系統(tǒng)是將電源管理的觀念貫穿于設(shè)計的每一個環(huán)節(jié)，并且平衡考慮多方面因素設(shè)計完成的。智能地對微處理器供電電壓和運行頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，非常有利于在保證用戶工作效率不降低的條件下節(jié)省不必須能耗。隨著半導(dǎo)體技術(shù)和電路設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，會有越來越多的節(jié)能技術(shù)涌現(xiàn)，為手持產(chǎn)品的發(fā)展助力。
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