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

电压调节

若有关芯片的操作频率低于其最高上限，我们很多时即使调低操作电压，数字逻辑电路仍有足够的计时容限。我们只要因应频率的转变调节电压，便可大幅降低功耗，以及大幅提高能源效益。动态电压调节 (DVS) 功能基本上通过开放环路控制系统执行，办法是我们首先设定多个不同的频率与电压的固定组合，每当操作频率有变，电压便会根据与该频率相配的电压值作出相应修改。另一方面，自适应电压调节 (AVS) 功能则通过闭环电压控制系统执行，办法是利用片上传感器决定最低可予接受的供电电压，其优点是比采用开环的动态电压调节方式节省更多能源。

CMOS 功耗是开关 (动态) 功率及漏电功率的总和：
P = PSWITCH + PLEAKAGE ? C x VDD2Af + VDD x ILEAKAGE  

上述公式中：
C 是指数字系统的开关电容
VDD是指供电电压
f 是指开关时钟频率
A 是指开关活动因子
ILEAKAGE是指漏电电流

动态电压调节技术采用表列的方法，将不同的频率与操作所需的供电电压配对一起，显示以某一频率操作所需的供电电压。每一时钟频率所需的供电电压会因不同产品的不同要求而各异，而且有关的电压值必定设定为最坏情况下所需的电压，以便满足不同芯片工艺技术及不同系统操作温度的要求。图1 显示动态电压调节系统的结构框图。若果根据系统工作管理程序所作的判断，即使不以最高频率操作性能也不受影响，那么系统便会发出启动指示，改变操作频率及电压。换言之，频率会调低，而供电电压也会随着调低。由于上述有关功耗的公式之中的两个变项 (即 f 及 VDD2) 都一同调低，因此系统的操作功率会大幅下降。若果根据系统工作管理程序所作的判断，系统的操作频率必须提高，该管理程序便会向电源管理单元发出调节电压请求，随后时钟产生器便会将操作频率调高。提高电压所需的时间可以通过不同的途径决定，例如可以由片上计时器 (VDD_OK) 决定，也可根据系统的功能要求或电源管理单元的状态标记作出决定。但有一点需要注意，对于以最高频率操作的固定电压系统来说，动态电压调节功能不会为系统节省任何能源。

  

图1：动态电压调节硬件系统

自适应电压调节 (AVS) 技术与利用开环控制系统执行控制功能的动态电压调节技术不同，自适应电压调节技术设有反馈电路，让片上硬件性能监控电路 (HPM) 可以为自适应电压调节系统提供反馈信号。由于硬件性能监控电路设于微控制器之内，所采用的工艺技术与微控制器所用的完全相同，而且操作时处于与系统同一的温度环境内，因此硬件性能监控电路可以根据最接近系统真正需要的频率调节供电电压，而非为假设的最坏情况提供供电。

图2 显示自适应电压调节系统的结构框图。整个电路系统由以下 4 个功能区块组成：硬件性能监控电路、先进电源控制器 (APC)、PowerWise? 接口 (PWI) 及电源管理单元。PowerWise 接口由 ARM 公司及美国国家半导体合作开发，可为内置的先进电源控制器提供一个标准的双线控制接口，以便控制外接的电源管理单元。由这几个功能区块组成的自适应电压调节系统可以自动因应时钟频率、温度或芯片工艺切角提供操作所需的最低供电。

  

图2：自适应电压调节硬件系统

先进电源控制器倚靠来自硬件性能监控电路的输入信号来衡量操作情况，以决定是否有能力提供所要求的供电。先进电源控制器通过 PowerWise 接口将电压调节指令传送至电源管理单元，而电源管理单元便按照请求提供所需的供电电压。有关芯片便以最新调节的电压操作，其性能则由硬件性能监控电路不时作出监控。若电源供应系统有足够空间可以进一步调节供电电压以满足其要求，先进电源控制器便会发出最新的电压调节指令。供电系统必须按照先进电源控制器的指示在规定时间内调节其供电电压，以便自适应电压调节控制系统的反馈环路能够保持稳定。

无论嵌入式电脑以哪一频率 (包括最高频率) 操作，自适应电压调节系统都可为其提供足够的电源供应，满足其操作需要。系统以最高频率操作时，微控制器的供电规定已足以保证即使以最差工艺技术制造的芯片也可在最高操作温度环境下正常操作。但一般来说真正的操作温度都比规定的最高温度低，而芯片的工艺技术一般都比最坏的情况好。在这样的情况下，即使以最高频率操作，仍有足够空间将电压进一步调低。开环动态电压调节技术则无法发挥这个优点，但自适应电压调节技术则可利用内置式硬件性能监控电路发来的反馈信号检测实际供电是否超过性能所需，若情况属实，先进电源控制器便会指令电源管理单元将最高频率的操作电压调低。

有一款测试用的芯片采用 0.18mm 标准 CMOS 工艺技术制造，内含 ARM7 核心处理器、存储器及输入/输出逻辑电路。其中的处理器及所有外围逻辑模块都设有自适应电压调节功能，可以将供电电压由 1.8V 调低至 1.2V。其他的输入/输出、模拟电路及时钟产生电路都获得固定的 1.8V 供电电压。此外，硬件性能监控电路则负责与分立式稳压系统建立通信，而这个稳压系统在功能上仿似集成了先进电源控制器、PoweWise 接口及电源管理单元的闭环系统。

这款芯片的评估电路板具备所有测量功能，而且可以在固定频率/电压模式及闭环自适应电压调节模式之间实时切换。此外，其中的功率测量反馈电路还可捕捉图3 所示的数据。进行测试时，中央处理器在固定稳压及自适应电压调节稳压等两种情况下分别以 48、24、12 及 6 MHz 的频率执行一套基准测试软件。测试的结果显示，若采用固定电压模式，总功耗达 342mJ，但若采用自适应电压调节模式，总功耗则低至只有 141mJ。换言之，采用自适应电压调节模式比采用固定电压更节能，而且所节省的能源可以高达 59% 。


  
图 3：自适应电压调节功能有助节省用电