DVS与AVS的原理及应用

随着人们生活质量的提高，对各种便携电子产品的功能要求越来越高，而复杂的功能会导致设备的功耗大幅增加。人们期望便携式电子产品的电池拥有更长的寿命，不仅仅是为了使用上的便利，同时也是为了减少对环境的伤害。这对电源管理系统的设计提出了更高的要求。

在电池供电的嵌入式系统中，或采用高效率的电源管理芯片，或采用大容量的电池以解决能耗问题。但这两种办法已无法满足快速增长的芯片动态功耗和静态功耗需求。

电路逻辑状态翻转时（造成瞬态开路电流和负载电流）会产生动态功耗，而未发生翻转时的漏电流则是静态功耗的主因。对一个给定负载的电路，其动态功耗的值与供电电压的平方成正比，与电路的运行频率成正比。随着芯片运行频率的提高和工艺尺寸的不断缩小、密度增加，其动态功耗和静态功耗也在不断增长，加剧了电源管理的复杂性。

本文主要讨论便携式电子产品的微处理器功耗控制问题，不讨论待机模式下的功耗控制。

常见的电源节能方式

提高电源转换效率的要求推动着电源从最初的LDO发展到今天效率超过90%的多模式DC/DC转换器。LDO在输入、输出电压差较小时有较高的效率，而DC/DC转换器的转换效率与其负载有关。目前许多公司都推出了在不同负载情况下能改变控制模式的新型控制芯片。

由于电源转换器的效率已经接近极限，目前研究方向已转向如何通过优化电源管理系统的效率，以满足便携设备的要求。在这种设备中，总能量的30%~50%会被微处理器消耗。简单地使用最新的半导体工艺并不能保证低功耗、高性能。例如，PC显示卡领域的巨头NVIDIA公司的GPU芯片的制造工艺并不总是最先进的，但其高能低耗的特征却是人们所共知的。

提高系统供电效率、减少无谓的能量损耗的节电技术可以分为两类：动态技术和静态技术。静态技术使用不同的低功耗模式，对芯片内部不同组件的时钟或电源实行按需开关等。例如，大多数处理器具有多种节电模式，在空闲与睡眠模式下可以关闭部分模块的时钟信号来禁用内部电路或模块，也可以在某些节电模式下通过切断或降低供电电压实现节能目的。又如，在某些多相供电的电路中，当负载较轻时，可以将其中某些供电的相回路关掉，这样既能提高电源效率，又能降低损耗，AMD公司的PSI技术就是这种原理。

动态技术则是根据芯片所运行的应用程序针对计算能力的不同需要，动态调节芯片的运行频率和电压，从而达到最大化节能的目的。对微处理器来说，内核电压可以根据内部时钟频率与"工作负载"调节到最低与最高电压之间的任何电压值，这种方法称为动态电压调节（DVS）。提供内核电压的转换器必须能够在运行过程中根据DVS规范调节输出电压。这种类型的转换器通常与处理器之间有可以互相通信的数字接口，例如数字电源管理芯片常用的I2C接口、PowerWise接口等等。未采用数字接口的设计无法实现更多种电压调节，但也有厂商推出了使用硬件管脚来设置输出电压的器件，例如TI公司的TPS65021、新产品TPS780xx。

动态电压和频率调节技术与SoC有源和无源漏电管理技术一起使用时，能显著降低SoC的功耗。例如Freescale的iMX31处理器、ARM公司的ARM处理器等。

为了使设计人员更方便地进行电源管理，一些厂商开发了电源管理软件模块用于嵌入式操作系统。运用这种软件模块，可以有效地降低软件编制中的工作量，同时优化系统的电源管理。PC操作系统中的电源管理规范APM、APIC就是电源管理与操作系统结合的典范。

DVS与AVS的原理

1 DVS的工作原理

DVS通常用在为处理器供电的DC/DC变换器中。处理器工作在全速状态下和空闲状态下所需要的电压是不同的，DVS使系统控制器可以在需要的时候改变DC/DC变换器的输出电压。在移动设备中，DVS显著延长了电池的寿命，但并不影响用户程序的运行时间。

现代的动态电压调节（DVS）技术与数字技术已经融合在一起，它将处理器与电源转换器连接在一起，通过I2C等数字总线动态地调节供电电压，同时调节处理器的频率。当然，简单的电源管理并不需要复杂管理总线，TI公司最新推出的TPS728xx系列LDO就是基于这种思想，它通过硬件管脚提供1～4种输出电压，可在运行时从中选择1个电压输出，实现简单的DVS。

图1 DVS开环控制原理框图

和AVS相比，动态电压调节（DVS）基于对系统的负载预测，在一个开环电压控制系统中用多组不同能耗级别的频率、电压对来实现调节。因此，DVS的响应速度、调节精度较基于完全反馈的AVS还是稍逊一筹。图1为DVS的原理框图。

如果使用常规的DC/DC变换器实现DVS，在电路上需要增加一些额外的元器件进行反馈，增加的元件包括MOSFET及一些电阻。反馈源可以取自处理器的输出状态引脚，它能表明处理器当前是否处于低功耗模式。因此，实际上大多数电源芯片都可以实现DVS，一片可调输出电压的电源芯片和一个外部输入的控制信号就足够了。