用DVS功能实现系统节能

便携设备的发展可以说是一日千里，各种功能不断地整合其中。单以智能手机为例，其功能就完全可以媲美笔记本电脑。但复杂的功能需要功能强大的处理器，智能手机中已集成了模拟基带、数字基带、图像处理器和CPU等多个分处理器。但对于这些处理器来说，每个处理器不是在任何时刻都是满负荷运转的，它们在很多时间内都处于闲置状态。因此，如何根据它们的工作状态调整其功耗水平，就成了系统设计者所面临的一个巨大问题。

动态电压调节（DVS）

动态电压调节（Dynamic Voltage Scaling）技术就是解决这个问题的答案。动态电压调节是这样一种方法：当系统需要完成大量计算任务时，便提高处理器的电压以增加其处理速度，而当系统不需要高速处理资料或只处于待机状态时，处理器的核心电压将会降低，这样便可节省不必要的能耗。该技术的理论依据来自下面公式。

P=fV2 （1）

式中，P是处理器的功率，f是处理器的核心频率，V是处理器的工作电压。可以看出，要降低处理器的功耗，在降压的同时还有降频。处理器的核心频率由时钟部件来调节。当处理器的计算任务不繁重时，时钟部件会自动降低处理器的频率。目前，已有TI公司的OMAP系列处理器、Transmeta公司的Crusoe处理器、还有IBM公司的PowerPC 405LP处理器支持这项功能。

在降低系统频率的同时，电压也要相应降低，这项工作主要是由具有动态电压调节降压式DC/DC转换器来完成的。Fairchild公司的FAN5355就是这种产品，它的输出电流为800mA～1A；输入电压为2.7～5.5V；输出电压的范围是0.75～1.975V，精度为6或7位，可编程调节；在3MHz频率工作时的效率为91%；PWM直流电压精度为±2；PWM和PFM方式之间可实现平滑过度；输出电压步阶为12.5mV；可支持的产品包括：SmartReflexTM兼容电源，DSP和μP控制器，智能手机、PDA，以及手持设备图形芯片（Nvidia、AMD）。

TI公司的TPS62350和National Semiconductor公司的LM3370也支持此项功能。其中，TPS62350具有28μA的静态电流，LM3370则是一个双输出通道DC/DC，每通道的输出电流为600mA。

实现动态电压调节的关键是I2C接口，通过这个接口，电源管理芯片可以同处理器进行通信。以FAN5355为例，其串行接口就符合标准、快速和高速I2C总线规范，最大数据传输速率可达到3.4Mb/s。

DVS的执行

系统执行动态电压调节是一个复杂的过程。首先，要收集系统负载的信号，并对负载状况做出判断。这个过程可以用软件实现，也可以用硬件实现。软件实现一般是通过对负载占用系统资源的程度来进行判断。硬件实现则通过采集一些核心信号中断线、Cache、内存总线的使用情况等，来计算当前的系统负载。其次，综合各种监测所得数据，对系统下一阶段的状况做出推断。有多种预测算法可以选择，要根据具体的应用来决定。再次，将预测到的性能表现转换成需要的频率，从而调整芯片的时钟设置。最后，根据新的频率计算相应的电压。通知电源管理芯片调整处理器的核心电压。在这个过程中，电源管理芯片要能够进行微小的电压调整，井且能在极短的时间内(几十μs内)完成电压的凋整。图1为电源管理芯片执行DVS的电路原理。

图1 用降压式DC/DC实现动态电源管理

需要注意的是，在调整频率和电压时，要特别注意调整的顺序。当频率由高到低调整时，应该先降频率，再降电压；相反，当升高额率时，应该先升电压，再升频率。

不同的电源管理芯片有着不同的电压调节方式。以FAN5355为例，它在降压过程中，会自动进入PFM模式。此时，流经电感的反向电流被截止，PFM最小频率控制被禁止，直到电压转换过程完成。降压所需的时间是由负载电流和输出电容所决定的。

图2 FAN5355降压过程


相比于降压过程，FAN5355的升压方式就要多样一些。输出电压可以一步调整到位，也可以多步连续调节。多步调节的步阶电压为12.5mV，这种方式需要的时间较长，但是可以实现电压的平滑过渡。

结语

如果工作在1kMHz的CPU能降低10%的频率，同时，其1.5V的核心电压也降低10%，结果将是系统能降低27%的功耗。这是一个令人惊喜的数据，虽然这项技术不能缓解能源短缺的大问题，但它至少也为我们节省了很多宝贵的能源。有理由相信，这项技术还会发挥更大的作用。