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個人及便攜式電子產品不斷推陳出新，發展步伐之快與摩爾定律的預測完全吻合。相較之下，電池技術的發展便遠遠落在其后。但新一代的產品必須采用極為耗電而內含較多晶體管的芯片，才可支持那些受用戶歡迎的功能。問題是用戶同時也希望新產品有較長的電池壽命，無需頻頻充電。為了讓客戶能夠魚與熊掌同時兼得，系統設計工程師必須考慮采用任何有助削減系統耗電量的技術。 這些節能技術基本上可以按照其執行方式分為應用層技術及后臺技術兩大類。應用層技術由應用程序本身來執行，以打印機為例來說，按次序打印的最后一份文件完成打印之后，打印機便會改用低功率模式。后臺技術由操作系統、后臺任務或硬件來執行，因此完全或幾乎不受主要應用任務操控。外圍設備活動監控電路便是其中的一種后臺技術，其特點是可將顯示器背光系統或磁盤機馬達的電源切斷。 系統設計工程師必須對這些技術有一點基本的認識，以便有需要時可以 加以利用，但沒有需要時則盡量不去干擾這些技術，或盡量避免為其加設任何形式的障礙，以免在設計周期的后期階段無法利用這些技術解決可能出現的節能問題。 應用層技術 遙控器等手持式設備的設計極為簡單，操作模式只有開啟及關閉兩種。但這個看似簡單的手持式遙控其實設計極為復雜，因為它的關閉模式并非真正關閉，事實上，遙控長期處于等待狀態，以便用戶可以隨時拾起，隨手便按。任何按鈕一經觸動，遙控便會從低功率的睡眠模式中喚醒，然后進入全面活躍模式。較為先進的電子產品可能會在開啟及關閉之間添加多個不同的模式，例如時鐘被固定在可以接受的最低速度，而暫時未用的電路區塊則全部關閉，以便節省用電。 調低操作占空度是一個可為許多系統解決節能問題的方案。例如，建筑物的暖風/通風/空調系統的傳感器或控制器節點真正作出響應的時間只有幾秒或幾分鐘。這些系統在大部分時間之內都處于低功率模式的睡眠狀態，喚醒之后，便立即向傳感器取樣或發出新的控制輸出，由喚醒至完成工作全部時間不超過一秒，然后便回到睡眠狀態，直至下一次為止。喚醒信號可以由硬件計時器發出，這個計時器采用特別的配置，可以按照固定的周期性速度發動系統。 操作模式也可以由外來信號控制。例如，控制門鎖的無匙進出系統可能長期處于低功率模式的睡眠狀態，一旦小鍵盤發覺有匙鎖合，便會喚醒無匙進出系統。以上述情況來說，多輸入喚醒(MIWU)支持便很有用，因為輸入/輸出端口的輸入狀態一旦有變，多輸入喚醒功能便會喚醒處于低功率模式的中央處理器。執行多輸入喚醒功能的邏輯電路區塊負責監控端口管腳及外圍設備接口，以便檢測狀態是否有變。多輸入喚醒功能一經設定，便可喚醒處于低功率模式的系統，然后發出中央處理器中斷信號。只要采用多輸入喚醒功能，系統在等待輸入信號時便無需先執行鍵盤掃描環路或其他監控軟件，因此可以大幅降低功耗。 協議規定的低功率模式 部分通信協議可以支持多種不同的低功率模式。例如，按照無線藍牙 (Bluetooth) 通信協議的規定，藍牙系統有三種低功率模式可供選擇： · 探測模式 -- 藍牙系統檢測稱為微微網 (piconet) 的局部藍牙網絡時，便處于低占空度的狀態。占空度的大小由微微網主機及從屬裝置互相協商而定，經過協商同意后，主機及從屬裝置都可各自發出指令，以便改用探測模式。已采用探測模式的主機及從屬裝置也可各自發出指令，以便脫離探測模式。 · 保持模式 -- 藍牙系統可以停止檢測微微網一段時間，停止時間的長短由主機及從屬裝置通過協商預先決定。經過協商同意后，主機及從屬裝置都可各自發出指令，以便改用保持模式。預定的停止時間一旦屆滿，保持模式便會自動終止。 · 停泊模式 -- 藍牙系統已終止與網絡的連線，但仍與該頻道保持同步。主機決定從屬裝置是否采用停泊模式。從屬裝置可以提出采用或停用停泊模式的請求，但采用停泊模式與否，完全由微微網主機決定，主機只需發出相關指令便可。 在以上的模式之中，探測模式的占空度最高，其次是保持模式，停泊模式的占空度最低。若藍牙系統已停止在微微網上的任何活動，可以進入低功率模式，但先決條件是有關的藍牙手機或設備不可脫離微微網獨自操作。 通過硬件執行的低功率模式 嵌入式微控制器通常設有至少一個低功率模式，以支持實際應用所需的電源管理功能。美國國家半導體 CP3000 系列連接處理器采用先進的電源管理技術，其中內置的兩個 12MHz 及 32.768kHz 振蕩器負責支持四個不同模式： · 活躍模式 -- 有關應用以 12MHz 的系統時鐘頻率全速操作。片上鎖相環路時鐘乘法器負責提供 24MHz 的中央處理器時鐘，也為通用串行總線 (USB) 節點控制器提供 48MHz 的時鐘。 · 節能模式 -- 中央處理器及指定的外圍設備都由 32.768kHz 的時鐘負責為其計時。12MHz 的振蕩器及鎖相環路可能會被關閉。 · 空閑模式 -- 中央處理器及指定的外圍設備沒有時鐘為其計時。由 32.768kHz 振蕩器為其計時的監視器計時器設有編程功能，可以按照設定的參數發出信號，觸發系統脫離空閑模式。我們可以將多輸入喚醒模塊設定，以便一旦發覺端口管腳出現上升或下降邊沿，該模塊便會發出信號，觸發系統脫離空閑模式。 · 停止模式 -- 將 32.768kHz 的振蕩器關閉。多輸入喚醒模塊仍繼續操作，使外來信號可以觸發系統脫離停止模式。 我們可以利用不同的方法執行這些模式，以便達到節能的目的。雖然沒有一套現成的規律可以適用于所有系統，但以下圖表列出實際應用時適合藍牙及 CP3000 模式采用的電源管理模式。 適合協議及硬件兩種模式采用的操作模式 如何處置暫停使用的外圍設備 我們只要關閉暫停使用的外圍設備，便可減低大部分微控制器的耗電量。CP3000 系列芯片分別為每一外圍設備區塊提供啟動位。這款芯片可以支持這么多外圍設備，根本沒有任何應用可以完全用盡這些外圍設備區塊，因此必定有部分外圍設備區塊暫時未用。為了降低功耗，這些未用的外圍設備區塊必須全部關閉。 由于外圍設備所需的時鐘頻率與系統的時鐘頻率不同，也由于外圍設備的時鐘頻率不受所采用的電源管理模式操控，因此 CP3000 芯片的時鐘合成模塊負責為這些外圍設備提供獨立的時鐘。為了盡量節省能源，有關應用應關閉這些未用外圍設備的輔助時鐘。 如何處置暫停使用的端口管腳 我們若任由沒有被驅動的 CMOS 輸入端浮動至邏輯電平介于 0 與 1 之間的輸入電壓范圍，便會耗用大量的供電。輸入/輸出端口若配置為輸入端，而且任由其自由浮動，上述情況便有可能出現，因此任何并非外在驅動、或拉高/拉低的輸入端口便應配置為輸出端。CP3000 端口電路設有可編程的上拉功能，隨時可以加以利用，以免沒有被驅動的輸入端自由浮動。 CP3000 的端口管腳在芯片復位后配置為輸入端，這是 CP3000 芯片的預設配置。采用這樣的配置是有必要的，因為外接元件可能會驅動這些端口管腳。這些端口管腳若預設為輸出端，微控制器與外接元件可能會在復位后互相爭奪使用緩沖區。因此，有關應用有責任在復位后配置沒有被驅動的端口管腳。 后臺技術 后臺的電源管理技術與有關應用之間可能會產生交互作用，以致有關應用可能需要作出相應的配合，但這些電源管理技術也可能完全不受有關應用操控。即使兩者互不干擾，設計軟件程序的工程師可能需要設定中斷指令或調動其他資源，以便為這些電源管理技術提供支持。這些設計程序的工程師也可能需要了解這些技術的實際運作，以免有關應用與電源管理技術之間出現意想不到的干擾。例如，不必要的顯示刷新或磁盤存取操作可能會對其中部分操作流程造成干擾，使已停止使用一段時間的顯示器背光系統或磁盤機馬達無法關閉。 活動監控程序 許多系統設計所采用的外圍設備如顯示器背光系統及磁盤機馬達比微控制器更為耗電。對于這類設計來說，專門監控個別外圍設備的活動監控程序可以大幅改善系統的能源效益。活動監控程序有本身的計時器，受監控的外圍設備無論進行哪樣的工作，都可避免計時器超過其設定時限。若計時器出現溢位或下溢 (出現哪一情況取決于計時器的設置)，會將外圍設備關閉或將之置于低功率的模式。 典型的活動監控程序利用實時操作系統 (RTOS) 提供的服務編定后臺任務，以便處理已排程的事項，其中包括活動監控程序的任何資料更新。有關的后臺任務必須預早編定，以便實時操作系統可以按照某一固定頻率定時提出任務呼叫，一般來說每 10 至 100 毫秒 (ms) 之內呼叫一次。一旦已發出任務呼叫，任何必須執行的已排程工作都需要接受后臺任務的審查，審查完畢后有關的后臺任務便會暫停，直至再發出呼叫為止。 有關系統也可利用信號量或不同任務之間的信息傳遞功能，以便發布某一外圍設備正在進行存取的信息。系統發出后臺任務呼叫之后，會先核查有關設備是否已收到信號。若有關信號仍未收到，計數器的數字會調高。若計數器出現溢位，系統便會關閉外圍設備。若有關信號已收到，計數器便會進行復位。 進入有關設備進行存取的設備驅動器可能會確定復位信號的真偽。當系統呼叫驅動器進入設備執行某一驅動器功能時，驅動器會確定后臺任務信號的真確性。若驅動器本身沒有這個功能，工程師可以先修改驅動器的源代碼，然后加以重新編譯，以便提供這個功能，但若這樣做，驅動器便不再屬于標準的一類。若果必須確保相關源代碼及程序可與驅動器程序庫的新版程序兼容，有一個具有較高便攜性的解決方案可供選擇，那就是先設定一組可傳送有關信號的功能或宏指令，然后才呼叫標準的驅動器。 監控功能也可以利用硬件執行。外圍設備進行存取時，計時器可以監控硬件的活動信號。計時器可視為自發計數器，每當受監控信號的真確性獲得確定之后，計時器便會重新進行設定。若果計時器出現溢位，便會向中央處理器發出中斷信號。中斷服務例行程序隨后便會關閉相關的外圍設備。 硬件監控器的響應可能比軟件監控程序快，但對于監控外圍設備的監控程序來說，速度通常并不重要。即使利用軟件方案關閉顯示器背光系統會出現 100ms 的延遲，但對電池壽命來說，所產生的影響可說微不足道。況且，完全利用軟件進行監控的解決方案也比較容易執行，因為活動監控程序只需集中處理一項工作，而且工程師可以只認識源代碼，不必對硬件計時器的結構有任何認識。此外，軟件方案具有較高的便攜性，因為有關的程序不會固定裝設在任何特定的硬件計時器之內。但軟件方案需要占用較多的中央處理器帶寬，若系統需要經常進入受監控的外圍設備進行存取，這是一個需要慎重考慮的問題。 電壓調節 若有關芯片的操作頻率低于其最高上限，我們很多時即使調低操作電壓，數字邏輯電路仍有足夠的計時容限。我們只要因應頻率的轉變調節電壓，便可大幅降低功耗，以及大幅提高能源效益。動態電壓調節 (DVS) 功能基本上通過開放環路控制系統執行，辦法是我們首先設定多個不同的頻率與電壓的固定組合，每當操作頻率有變，電壓便會根據與該頻率相配的電壓值作出相應修改。另一方面，自適應電壓調節 (AVS) 功能則通過閉環電壓控制系統執行，辦法是利用片上傳感器決定最低可予接受的供電電壓，其優點是比采用開環的動態電壓調節方式節省更多能源。 CMOS 功耗是開關 (動態) 功率及漏電功率的總和： P = PSWITCH + PLEAKAGE ? C x VDD2Af + VDD x ILEAKAGE 上述公式中： C 是指數字系統的開關電容 VDD是指供電電壓 f 是指開關時鐘頻率 A 是指開關活動因子 ILEAKAGE是指漏電電流 動態電壓調節技術采用表列的方法，將不同的頻率與操作所需的供電電壓配對一起，顯示以某一頻率操作所需的供電電壓。每一時鐘頻率所需的供電電壓會因不同產品的不同要求而各異，而且有關的電壓值必定設定為最壞情況下所需的電壓，以便滿足不同芯片工藝技術及不同系統操作溫度的要求。圖1 顯示動態電壓調節系統的結構框圖。若果根據系統工作管理程序所作的判斷，即使不以最高頻率操作性能也不受影響，那么系統便會發出啟動指示，改變操作頻率及電壓。換言之，頻率會調低，而供電電壓也會隨著調低。由于上述有關功耗的公式之中的兩個變項 (即 f 及 VDD2) 都一同調低，因此系統的操作功率會大幅下降。若果根據系統工作管理程序所作的判斷，系統的操作頻率必須提高，該管理程序便會向電源管理單元發出調節電壓請求，隨后時鐘產生器便會將操作頻率調高。提高電壓所需的時間可以通過不同的途徑決定，例如可以由片上計時器 (VDD_OK) 決定，也可根據系統的功能要求或電源管理單元的狀態標記作出決定。但有一點需要注意，對于以最高頻率操作的固定電壓系統來說，動態電壓調節功能不會為系統節省任何能源。 圖1：動態電壓調節硬件系統 自適應電壓調節 (AVS) 技術與利用開環控制系統執行控制功能的動態電壓調節技術不同，自適應電壓調節技術設有反饋電路，讓片上硬件性能監控電路 (HPM) 可以為自適應電壓調節系統提供反饋信號。由于硬件性能監控電路設于微控制器之內，所采用的工藝技術與微控制器所用的完全相同，而且操作時處于與系統同一的溫度環境內，因此硬件性能監控電路可以根據最接近系統真正需要的頻率調節供電電壓，而非為假設的最壞情況提供供電。 圖2 顯示自適應電壓調節系統的結構框圖。整個電路系統由以下 4 個功能區塊組成：硬件性能監控電路、先進電源控制器 (APC)、PowerWise? 接口 (PWI) 及電源管理單元。PowerWise 接口由 ARM 公司及美國國家半導體合作開發，可為內置的先進電源控制器提供一個標準的雙線控制接口，以便控制外接的電源管理單元。由這幾個功能區塊組成的自適應電壓調節系統可以自動因應時鐘頻率、溫度或芯片工藝切角提供操作所需的最低供電。 圖2：自適應電壓調節硬件系統 先進電源控制器倚靠來自硬件性能監控電路的輸入信號來衡量操作情況，以決定是否有能力提供所要求的供電。先進電源控制器通過 PowerWise 接口將電壓調節指令傳送至電源管理單元，而電源管理單元便按照請求提供所需的供電電壓。有關芯片便以最新調節的電壓操作，其性能則由硬件性能監控電路不時作出監控。若電源供應系統有足夠空間可以進一步調節供電電壓以滿足其要求，先進電源控制器便會發出最新的電壓調節指令。供電系統必須按照先進電源控制器的指示在規定時間內調節其供電電壓，以便自適應電壓調節控制系統的反饋環路能夠保持穩定。 無論嵌入式電腦以哪一頻率 (包括最高頻率) 操作，自適應電壓調節系統都可為其提供足夠的電源供應，滿足其操作需要。系統以最高頻率操作時，微控制器的供電規定已足以保證即使以最差工藝技術制造的芯片也可在最高操作溫度環境下正常操作。但一般來說真正的操作溫度都比規定的最高溫度低，而芯片的工藝技術一般都比最壞的情況好。在這樣的情況下，即使以最高頻率操作，仍有足夠空間將電壓進一步調低。開環動態電壓調節技術則無法發揮這個優點，但自適應電壓調節技術則可利用內置式硬件性能監控電路發來的反饋信號檢測實際供電是否超過性能所需，若情況屬實，先進電源控制器便會指令電源管理單元將最高頻率的操作電壓調低。 有一款測試用的芯片采用 0.18mm 標準 CMOS 工藝技術制造，內含 ARM7 核心處理器、存儲器及輸入/輸出邏輯電路。其中的處理器及所有外圍邏輯模塊都設有自適應電壓調節功能，可以將供電電壓由 1.8V 調低至 1.2V。其他的輸入/輸出、模擬電路及時鐘產生電路都獲得固定的 1.8V 供電電壓。此外，硬件性能監控電路則負責與分立式穩壓系統建立通信，而這個穩壓系統在功能上仿似集成了先進電源控制器、PoweWise 接口及電源管理單元的閉環系統。 這款芯片的評估電路板具備所有測量功能，而且可以在固定頻率/電壓模式及閉環自適應電壓調節模式之間實時切換。此外，其中的功率測量反饋電路還可捕捉圖3 所示的數據。進行測試時，中央處理器在固定穩壓及自適應電壓調節穩壓等兩種情況下分別以 48、24、12 及 6 MHz 的頻率執行一套基準測試軟件。測試的結果顯示，若采用固定電壓模式，總功耗達 342mJ，但若采用自適應電壓調節模式，總功耗則低至只有 141mJ。換言之，采用自適應電壓調節模式比采用固定電壓更節能，而且所節省的能源可以高達 59% 。 圖 3：自適應電壓調節功能有助節省用電 總結 由于便攜式電子產品采用的芯片技術越來越先進，因此這類以電池供電的便攜式系統的耗電量便不斷增加。雖然近幾年來電池技術已有大幅的改善，但在可見的將來，電池技術的發展仍會落后于芯片技術。由于消費者對電池壽命的期望不會有很大的改變，系統必須盡量降低功耗，才可充分利用新一代芯片技術的優點，加上部分技術需要硬件的支持，因此系統設計工程師挑選芯片時必須小心謹慎，才可為系統提供所需的功能。 如欲了解更多有關美國國家半導體電源資料，請瀏覽： http://www.national.com/see/apads/c4pwr.cgi |
