隨著高數(shù)據(jù)率基礎(chǔ)設(shè)施在全球范圍的不斷擴(kuò)張，以及多媒體設(shè)備的日益普及，多功能手機(jī)像以語音為主的手機(jī)一樣幾乎一直處于使用狀態(tài)，但需要依賴于電池的容量。試設(shè)想當(dāng)前用戶可以在各自設(shè)備上進(jìn)行的所有功能操作，例如下載/共享/收聽音樂、下載/共享照片、玩游戲以及通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行影視觀賞和餐館訂位等等，而這些正逐漸成為一種全天候的生活方式，因此需要設(shè)備具備更長的運(yùn)行時間來支持。

用戶體驗(yàn)對終端用戶而言十分重要，而且網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商和內(nèi)容提供商同樣依賴這些新的多媒體功能及其擴(kuò)展業(yè)務(wù)進(jìn)行創(chuàng)收，故電池壽命受限意味著贏收受限。

目前的功率轉(zhuǎn)換效率已超過90%，效率的進(jìn)一步提升對整體的影響將很小。因此，有必要采用新技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)級能量管理。如果處理器能夠根據(jù)實(shí)際需要調(diào)節(jié)頻率，同時結(jié)合能根據(jù)頻率來降低電壓的功率管理技術(shù)，就可以顯著降低能耗，相應(yīng)延長了運(yùn)行時間。

電壓調(diào)節(jié)

電壓調(diào)節(jié)和節(jié)能的概念可以通過數(shù)字系統(tǒng)的能耗公式來表述：

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

這里動態(tài)項(xiàng)包括C(電路電容)、VDD(電源電壓)和f(時鐘頻率)；靜態(tài)項(xiàng)由數(shù)字門電路的ILEAK(泄漏電流)決定。從該式可看出，為什么在數(shù)字電路中采用常用的節(jié)能技術(shù)可通過降低處理引擎的頻率(f)和電壓(VDD)以最終能減少能量消耗。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)(DVS)和自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)(AVS)是兩種常用的電壓調(diào)節(jié)技術(shù)。圖1顯示了DVS和AVS實(shí)現(xiàn)的節(jié)能情況。

什么是DVS 和 AVS？

DVS是一種開環(huán)方案，通過預(yù)特征削減或利用電壓-頻率查找表來調(diào)節(jié)電壓和頻率。這些電壓必須足夠高以維持所有器件和溫度范圍內(nèi)的功能性。雖然這種開環(huán)方案可以節(jié)省相當(dāng)可觀的能量，但無法實(shí)現(xiàn)所有可能的能量節(jié)約。

AVS是一種閉環(huán)方案，在盡可能降低電源電壓的同時仍能及時完成任務(wù)。DVS把電源電壓調(diào)節(jié)到固定的預(yù)特征值，而忽略了進(jìn)程、溫度和電源的變化。AVS則在確定最佳電源電壓時把所有這些因素都考慮在內(nèi)，以確保能耗最小化。

圖1：對比固定電壓工作模式，DVS和AVS技術(shù)實(shí)現(xiàn)的節(jié)能情況。

AVS的工作原理

AVS是一種系統(tǒng)級解決方案，可以對SoC中的各個處理引擎的電源電壓進(jìn)行獨(dú)立的自動控制，從而降低數(shù)字SoC解決方案的能耗。AVS把可綜合的與先進(jìn)微控制器總線架構(gòu)(AMBA)兼容的內(nèi)核，以及先進(jìn)功率控制器(APC)嵌入在SoC中，如圖2所示。

APC使系統(tǒng)能在目標(biāo)SoC上實(shí)現(xiàn)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)或全自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)。APC通過與供電系統(tǒng)的相互作用，在保持峰值效率的同時減少電源需求，以確保當(dāng)前SoC時鐘頻率下的電源電壓得到最小化，從而將數(shù)字邏輯能耗降至最低。

APC利用三個接口連接系統(tǒng)的其余部分：兼容AMBA的主機(jī)接口，時鐘管理單元(CMU)接口，以及開放式標(biāo)準(zhǔn)PowerWise接口(PWI)。主機(jī)接口用來控制和配置APC2，而CMU接口用來協(xié)調(diào)電壓和頻率的變化。

PWI是一種簡單而快速(高達(dá)15MHz)的兩引腳串行接口，是專門為滿足AVS及DVS要求而設(shè)計的，并具有廣泛的編程選項(xiàng)以適應(yīng)多用途應(yīng)用。最新的PWI 2.0標(biāo)準(zhǔn)支持同一條總線上的多個SoC和外設(shè)。PWI接口用于與外部能量管理單元(EMU)進(jìn)行功率管理信息的通信，或是控制其它外設(shè)。

圖2：AVS實(shí)現(xiàn)方案。

本文小結(jié)

隨著越來越多的媒體內(nèi)容以及高速數(shù)據(jù)率的出現(xiàn)，如何在多媒體手機(jī)中進(jìn)行高速處理，同時節(jié)省能量以延長電池壽命正成為挑戰(zhàn)。AVS等先進(jìn)的電源管理技術(shù)可以大幅度降低數(shù)字處理的能耗，從而延長設(shè)備運(yùn)行時間，增強(qiáng)用戶體驗(yàn)。利用這些先進(jìn)的節(jié)能技術(shù)無需再每隔數(shù)小時就要為電池充電，延長了手機(jī)通話時間、游戲時間或視頻時間。因此，這些技術(shù)上的進(jìn)步讓我們能享受到更多的移動業(yè)務(wù)。 (美國國家半導(dǎo)體公司 )