如何确保功能齐备的便携式电子产品充分发挥其能源效益

个人及便携式电子产品不断推陈出新，发展步伐之快与摩尔定律的预测完全吻合。相较之下，电池技术的发展便远远落在其后。但新一代的产品必须采用极为耗电而内含较多晶体管的芯片，才可支持那些受用户欢迎的功能。问题是用户同时也希望新产品有较长的电池寿命，无需频频充电。为了让客户能够鱼与熊掌同时兼得，系统设计工程师必须考虑采用任何有助削减系统耗电量的技术。

这些节能技术基本上可以按照其执行方式分为应用层技术及后台技术两大类。应用层技术由应用程序本身来执行，以打印机为例来说，按次序打印的最后一份文件完成打印之后，打印机便会改用低功率模式。后台技术由操作系统、后台任务或硬件来执行，因此完全或几乎不受主要应用任务操控。外围设备活动监控电路便是其中的一种后台技术，其特点是可将显示器背光系统或磁盘机马达的电源切断。

系统设计工程师必须对这些技术有一点基本的认识，以便有需要时可以
加以利用，但没有需要时则尽量不去干扰这些技术，或尽量避免为其加设任何形式的障碍，以免在设计周期的后期阶段无法利用这些技术解决可能出现的节能问题。

应用层技术

遥控器等手持式设备的设计极为简单，操作模式只有开启及关闭两种。但这个看似简单的手持式遥控其实设计极为复杂，因为它的关闭模式并非真正关闭，事实上，遥控长期处于等待状态，以便用户可以随时拾起，随手便按。任何按钮一经触动，遥控便会从低功率的睡眠模式中唤醒，然后进入全面活跃模式。较为先进的电子产品可能会在开启及关闭之间添加多个不同的模式，例如时钟被固定在可以接受的最低速度，而暂时未用的电路区块则全部关闭，以便节省用电。

调低操作占空度是一个可为许多系统解决节能问题的方案。例如，建筑物的暖风/通风/空调系统的传感器或控制器节点真正作出响应的时间只有几秒或几分钟。这些系统在大部分时间之内都处于低功率模式的睡眠状态，唤醒之后，便立即向传感器取样或发出新的控制输出，由唤醒至完成工作全部时间不超过一秒，然后便回到睡眠状态，直至下一次为止。唤醒信号可以由硬件计时器发出，这个计时器采用特别的配置，可以按照固定的周期性速度发动系统。

操作模式也可以由外来信号控制。例如，控制门锁的无匙进出系统可能长期处于低功率模式的睡眠状态，一旦小键盘发觉有匙锁合，便会唤醒无匙进出系统。以上述情况来说，多输入唤醒(MIWU)支持便很有用，因为输入/输出端口的输入状态一旦有变，多输入唤醒功能便会唤醒处于低功率模式的中央处理器。执行多输入唤醒功能的逻辑电路区块负责监控端口管脚及外围设备接口，以便检测状态是否有变。多输入唤醒功能一经设定，便可唤醒处于低功率模式的系统，然后发出中央处理器中断信号。只要采用多输入唤醒功能，系统在等待输入信号时便无需先执行键盘扫描环路或其他监控软件，因此可以大幅降低功耗。

协议规定的低功率模式

部分通信协议可以支持多种不同的低功率模式。例如，按照无线蓝牙 (Bluetooth) 通信协议的规定，蓝牙系统有三种低功率模式可供选择：

· 探测模式 -- 蓝牙系统检测称为微微网 (piconet) 的局部蓝牙网络时，便处于低占空度的状态。占空度的大小由微微网主机及从属装置互相协商而定，经过协商同意后，主机及从属装置都可各自发出指令，以便改用探测模式。已采用探测模式的主机及从属装置也可各自发出指令，以便脱离探测模式。

· 保持模式 -- 蓝牙系统可以停止检测微微网一段时间，停止时间的长短由主机及从属装置通过协商预先决定。经过协商同意后，主机及从属装置都可各自发出指令，以便改用保持模式。预定的停止时间一旦届满，保持模式便会自动终止。

· 停泊模式 -- 蓝牙系统已终止与网络的连线，但仍与该频道保持同步。主机决定从属装置是否采用停泊模式。从属装置可以提出采用或停用停泊模式的请求，但采用停泊模式与否，完全由微微网主机决定，主机只需发出相关指令便可。

在以上的模式之中，探测模式的占空度最高，其次是保持模式，停泊模式的占空度最低。若蓝牙系统已停止在微微网上的任何活动，可以进入低功率模式，但先决条件是有关的蓝牙手机或设备不可脱离微微网独自操作。

通过硬件执行的低功率模式

嵌入式微控制器通常设有至少一个低功率模式，以支持实际应用所需的电源管理功能。美国国家半导体 CP3000 系列连接处理器采用先进的电源管理技术，其中内置的两个 12MHz 及 32.768kHz 振荡器负责支持四个不同模式：

· 活跃模式 -- 有关应用以 12MHz 的系统时钟频率全速操作。片上锁相环路时钟乘法器负责提供 24MHz 的中央处理器时钟，也为通用串行总线 (USB) 节点控制器提供 48MHz 的时钟。

· 节能模式 -- 中央处理器及指定的外围设备都由 32.768kHz 的时钟负责为其计时。12MHz 的振荡器及锁相环路可能会被关闭。

· 空闲模式 -- 中央处理器及指定的外围设备没有时钟为其计时。由 32.768kHz 振荡器为其计时的监视器计时器设有编程功能，可以按照设定的参数发出信号，触发系统脱离空闲模式。我们可以将多输入唤醒模块设定，以便一旦发觉端口管脚出现上升或下降边沿，该模块便会发出信号，触发系统脱离空闲模式。

· 停止模式 -- 将 32.768kHz 的振荡器关闭。多输入唤醒模块仍继续操作，使外来信号可以触发系统脱离停止模式。

我们可以利用不同的方法执行这些模式，以便达到节能的目的。虽然没有一套现成的规律可以适用于所有系统，但以下图表列出实际应用时适合蓝牙及 CP3000 模式采用的电源管理模式。

适合协议及硬件两种模式采用的操作模式