手机处理器节能秘诀之一：使用AVS技术

随着高数据率基础设施在全球范围的不断扩张，以及多媒体设备的日益普及，多功能手机像以语音为主的手机一样几乎一直处于使用状态，但需要依赖于电池的容量。试设想当前用户可以在各自设备上进行的所有功能操作，例如下载/共享/收听音乐、下载/共享照片、玩游戏以及通过互联网进行影视观赏和餐馆订位等等，而这些正逐渐成为一种全天候的生活方式，因此需要设备具备更长的运行时间来支持。

用户体验对终端用户而言十分重要，而且网络运营商和内容提供商同样依赖这些新的多媒体功能及其扩展业务进行创收，故电池寿命受限意味着赢收受限。

目前的功率转换效率已超过90%，效率的进一步提升对整体的影响将很小。因此，有必要采用新技术进行系统级能量管理。如果处理器能够根据实际需要调节频率，同时结合能根据频率来降低电压的功率管理技术，就可以显著降低能耗，相应延长了运行时间。

电压调节

电压调节和节能的概念可以通过数字系统的能耗公式来表述：

E={(CVDD2f)+(VDDILEAK)}t

这里动态项包括C(电路电容)、VDD(电源电压)和f(时钟频率)；静态项由数字门电路的ILEAK(泄漏电流)决定。从该式可看出，为什么在数字电路中采用常用的节能技术可通过降低处理引擎的频率(f)和电压(VDD)以最终能减少能量消耗。动态电压调节(DVS)和自适应电压调节(AVS)是两种常用的电压调节技术。图1显示了DVS和AVS实现的节能情况。

什么是DVS 和 AVS？

DVS是一种开环方案，通过预特征削减或利用电压-频率查找表来调节电压和频率。这些电压必须足够高以维持所有器件和温度范围内的功能性。虽然这种开环方案可以节省相当可观的能量，但无法实现所有可能的能量节约。

AVS 是一种闭环方案，在尽可能降低电源电压的同时仍能及时完成任务。DVS把电源电压调节到固定的预特征值，而忽略了进程、温度和电源的变化。AVS则在确定最佳电源电压时把所有这些因素都考虑在内，以确保能耗最小化。


图1：对比固定电压工作模式，DVS和 AVS技术实现的节能情况。

AVS的工作原理

AVS是一种系统级解决方案，可以对SoC中的各个处理引擎的电源电压进行独立的自动控制，从而降低数字SoC解决方案的能耗。AVS把可综合的与先进微控制器总线架构 (AMBA)兼容的内核，以及先进功率控制器(APC)嵌入在SoC中，如图2所示。

APC使系统能在目标SoC上实现动态电压调节或全自适应电压调节。APC通过与供电系统的相互作用，在保持峰值效率的同时减少电源需求，以确保当前SoC时钟频率下的电源电压得到最小化，从而将数字逻辑能耗降至最低。

APC利用三个接口连接系统的其余部分：兼容AMBA的主机接口，时钟管理单元(CMU)接口，以及开放式标准PowerWise接口(PWI)。主机接口用来控制和配置APC2，而CMU接口用来协调电压和频率的变化。

PWI 是一种简单而快速(高达15MHz)的两引脚串行接口，是专门为满足AVS及DVS要求而设计的，并具有广泛的编程选项以适应多用途应用。最新的PWI 2.0标准支持同一条总线上的多个SoC和外设。PWI接口用于与外部能量管理单元(EMU)进行功率管理信息的通信，或是控制其它外设。


图2：AVS实现方案。

本文小结

随着越来越多的媒体内容以及高速数据率的出现，如何在多媒体手机中进行高速处理，同时节省能量以延长电池寿命正成为挑战。AVS等先进的电源管理技术可以大幅度降低数字处理的能耗，从而延长设备运行时间，增强用户体验。利用这些先进的节能技术无需再每隔数小时就要为电池充电，延长了手机通话时间、游戏时间或视频时间。因此，这些技术上的进步让我们能享受到更多的移动业务。

作者：美国国家半导体公司 应用和市场工程师 Netnarin(Joy)Taylor