中心議題：

• 常見的電源節能方式
• DVS與AVS的原理
• 功耗控製其他需要考慮的問題

解決方案：

• 動態電壓和頻率調節技術
• 使用常規的DC/DC變換器實現DVS
• 自適應電壓調整AVS

隨sui著zhe人ren們men生sheng活huo質zhi量liang的de提ti高gao
，對dui各ge種zhong便bian攜xie電dian子zi產chan品pin的de功gong能neng要yao求qiu越yue來lai越yue高gao，而er複fu雜za的de功gong能neng會hui導dao致zhi設she備bei的de功gong耗hao大da幅fu增zeng加jia。人ren們men期qi望wang便bian攜xie式shi電dian子zi產chan品pin的de電dian池chi擁yong有you更geng長chang的de壽shou命ming，不bu僅jin僅jin是shi為wei了le使shi用yong上shang的de便bian利li，同tong時shi也ye是shi為wei了le減jian少shao對dui環huan境jing的de傷shang害hai。這zhe對dui電dian源yuan管guan理li係xi統tong的de設she計ji提ti出chu了le更geng高gao的de要yao求qiu。
　　
在zai電dian池chi供gong電dian的de嵌qian入ru式shi係xi統tong中zhong
，或huo采cai用yong高gao效xiao率lv的de電dian源yuan管guan理li芯xin片pian，或huo采cai用yong大da容rong量liang的de電dian池chi以yi解jie決jue能neng耗hao問wen題ti。但dan這zhe兩liang種zhong辦ban法fa已yi無wu法fa滿man足zu快kuai速su增zeng長chang的de芯xin片pian動dong態tai功gong耗hao和he靜jing態tai功gong耗hao需xu求qiu。
　　
電路邏輯狀態翻轉時（造成瞬態開路電流和負載電流）會(hui)產(chan)生(sheng)動(dong)態(tai)功(gong)耗(hao)，而(er)未(wei)發(fa)生(sheng)翻(fan)轉(zhuan)時(shi)的(de)漏(lou)電(dian)流(liu)則(ze)是(shi)靜(jing)態(tai)功(gong)耗(hao)的(de)主(zhu)因(yin)。對(dui)一(yi)個(ge)給(gei)定(ding)負(fu)載(zai)的(de)電(dian)路(lu)
，其(qi)動(dong)態(tai)功(gong)耗(hao)的(de)值(zhi)與(yu)供(gong)電(dian)電(dian)壓(ya)的(de)平(ping)方(fang)成(cheng)正(zheng)比(bi)，與(yu)電(dian)路(lu)的(de)運(yun)行(xing)頻(pin)率(lv)成(cheng)正(zheng)比(bi)。隨(sui)著(zhe)芯(xin)片(pian)運(yun)行(xing)頻(pin)率(lv)的(de)提(ti)高(gao)和(he)工(gong)藝(yi)尺(chi)寸(cun)的(de)不(bu)斷(duan)縮(suo)小(xiao)、密度增加，其動態功耗和靜態功耗也在不斷增長
，加劇了電源管理的複雜性。
　　
本文主要討論便攜式電子產品的微處理器功耗控製問題
，不討論待機模式下的功耗控製。
　　
常見的電源節能方式
　　
提高電源轉換效率的要求推動著電源從最初的LDO發展到今天效率超過90%的多模式DC/DC轉換器。LDO在輸入、輸出電壓差較小時有較高的效率，而DC/DC轉換器的轉換效率與其負載有關。目前許多公司都推出了在不同負載情況下能改變控製模式的新型控製芯片。
　　
youyudianyuanzhuanhuanqidexiaolvyijingjiejinjixian，muqianyanjiufangxiangyizhuanxiangruhetongguoyouhuadianyuanguanlixitongdexiaolv，yimanzubianxieshebeideyaoqiu。zaizhezhongshebeizhong
，zongnengliangde30%~50%會被微處理器消耗。簡單地使用最新的半導體工藝並不能保證低功耗、高性能。例如
，PC顯示卡領域的巨頭NVIDIA公司的GPU芯片的製造工藝並不總是最先進的
，但其高能低耗的特征卻是人們所共知的。
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提高係統供電效率、減少無謂的能量損耗的節電技術可以分為兩類：動dong態tai技ji術shu和he靜jing態tai技ji術shu。靜jing態tai技ji術shu使shi用yong不bu同tong的de低di功gong耗hao模mo式shi，對dui芯xin片pian內nei部bu不bu同tong組zu件jian的de時shi鍾zhong或huo電dian源yuan實shi行xing按an需xu開kai關guan等deng。例li如ru，大da多duo數shu處chu理li器qi具ju有you多duo種zhong節jie電dian模mo式shi，在zai空kong閑xian與yu睡shui眠mian模mo式shi下xia可ke以yi關guan閉bi部bu分fen模mo塊kuai的de時shi鍾zhong信xin號hao來lai禁jin用yong內nei部bu電dian路lu或huo模mo塊kuai
，也ye可ke以yi在zai某mou些xie節jie電dian模mo式shi下xia通tong過guo切qie斷duan或huo降jiang低di供gong電dian電dian壓ya實shi現xian節jie能neng目mu的de。又you如ru

，在zai某mou些xie多duo相xiang供gong電dian的de電dian路lu中zhong，當dang負fu載zai較jiao輕qing時shi，可ke以yi將jiang其qi中zhong某mou些xie供gong電dian的de相xiang回hui路lu關guan掉diao
，這zhe樣yang既ji能neng提ti高gao電dian源yuan效xiao率lv，又you能neng降jiang低di損sun耗hao，AMD公司的PSI技術就是這種原理。

動(dong)態(tai)技(ji)術(shu)則(ze)是(shi)根(gen)據(ju)芯(xin)片(pian)所(suo)運(yun)行(xing)的(de)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)針(zhen)對(dui)計(ji)算(suan)能(neng)力(li)的(de)不(bu)同(tong)需(xu)要(yao)

，動(dong)態(tai)調(tiao)節(jie)芯(xin)片(pian)的(de)運(yun)行(xing)頻(pin)率(lv)和(he)電(dian)壓(ya)，從(cong)而(er)達(da)到(dao)最(zui)大(da)化(hua)節(jie)能(neng)的(de)目(mu)的(de)。對(dui)微(wei)處(chu)理(li)器(qi)來(lai)說(shuo)
，內(nei)核(he)電(dian)壓(ya)可(ke)以(yi)根(gen)據(ju)內(nei)部(bu)時(shi)鍾(zhong)頻(pin)率(lv)與(yu)“工作負載”調節到最低與最高電壓之間的任何電壓值，這種方法稱為動態電壓調節（DVS）。提供內核電壓的轉換器必須能夠在運行過程中根據DVS規範調節輸出電壓。這種類型的轉換器通常與處理器之間有可以互相通信的數字接口，例如數字電源管理芯片常用的I2C接口、PowerWise接口等等。未采用數字接口的設計無法實現更多種電壓調節
，但也有廠商推出了使用硬件管腳來設置輸出電壓的器件，例如TI公司的TPS65021、新產品TPS780xx。
　　
動態電壓和頻率調節技術與SoC有源和無源漏電管理技術一起使用時
，能顯著降低SoC的功耗。例如Freescale的iMX31處理器
、ARM公司的ARM處理器等。
　　
為wei了le使shi設she計ji人ren員yuan更geng方fang便bian地di進jin行xing電dian源yuan管guan理li，一yi些xie廠chang商shang開kai發fa了le電dian源yuan管guan理li軟ruan件jian模mo塊kuai用yong於yu嵌qian入ru式shi操cao作zuo係xi統tong。運yun用yong這zhe種zhong軟ruan件jian模mo塊kuai
，可ke以yi有you效xiao地di降jiang低di軟ruan件jian編bian製zhi中zhong的de工gong作zuo量liang，同tong時shi優you化hua係xi統tong的de電dian源yuan管guan理li。PC操作係統中的電源管理規範APM、APIC就是電源管理與操作係統結合的典範。
　　
DVS與AVS的原理
　　
DVS的工作原理
　　
DVS通常用在為處理器供電的DC/DC變換器中。處理器工作在全速狀態下和空閑狀態下所需要的電壓是不同的，DVS使係統控製器可以在需要的時候改變DC/DC變換器的輸出電壓。在移動設備中，DVS顯著延長了電池的壽命
，但並不影響用戶程序的運行時間。
　　
現代的動態電壓調節（DVS）技術與數字技術已經融合在一起，它將處理器與電源轉換器連接在一起，通過I2C等數字總線動態地調節供電電壓
，同時調節處理器的頻率。當然，簡單的電源管理並不需要複雜管理總線，TI公司最新推出的TPS728xx係列LDO就是基於這種思想，它通過硬件管腳提供1～4種輸出電壓，可在運行時從中選擇1個電壓輸出
，實現簡單的DVS。 和AVS相比
，動態電壓調節（DVS）基於對係統的負載預測，在一個開環電壓控製係統中用多組不同能耗級別的頻率、電壓對來實現調節。因此，DVS的響應速度、調節精度較基於完全反饋的AVS還是稍遜一籌。圖1為DVS的原理框圖。
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如果使用常規的DC/DC變換器實現DVS，在電路上需要增加一些額外的元器件進行反饋

，增加的元件包括MOSFETjiyixiedianzu。fankuiyuankeyiquzichuliqideshuchuzhuangtaiyinjiao
，tanengbiaomingchuliqidangqianshifouchuyudigonghaomoshi。yinci
，shijishangdaduoshudianyuanxinpiandoukeyishixianDVS，一片可調輸出電壓的電源芯片和一個外部輸入的控製信號就足夠了。
　　
AVS的工作原理
　　
CPU和DSP對(dui)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)速(su)度(du)的(de)要(yao)求(qiu)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao)，對(dui)電(dian)源(yuan)模(mo)塊(kuai)的(de)供(gong)電(dian)要(yao)求(qiu)也(ye)就(jiu)相(xiang)應(ying)地(di)提(ti)高(gao)了(le)，這(zhe)主(zhu)要(yao)體(ti)現(xian)在(zai)對(dui)電(dian)源(yuan)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)流(liu)大(da)小(xiao)及(ji)其(qi)變(bian)化(hua)率(lv)和(he)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)峰(feng)峰(feng)值(zhi)的(de)要(yao)求(qiu)上(shang)。相(xiang)對(dui)於(yu)使(shi)用(yong)精(jing)巧(qiao)的(de)電(dian)路(lu)、大容量低ESR電容等缺乏靈活性的純硬件設計的缺點，AVS的引入不僅有利於電源模塊的熱設計，而且輸出電壓峰峰值小、恢複時間短

，有效地改善了模塊的動態響應
，特別適用於低電壓、大電流的場合。
　　
自適應電壓調整AVS基於跟蹤係統處理器的性能變化，由嵌入式自適應先進電源控製器（APC）做出自適應電壓調整。APC通過PowerWise接口將係統處理器的性能（頻率）
、溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)準(zhun)確(que)地(di)傳(chuan)遞(di)給(gei)外(wai)部(bu)自(zi)適(shi)應(ying)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)芯(xin)片(pian)。然(ran)後(hou)
，該(gai)電(dian)源(yuan)管(guan)理(li)單(dan)元(yuan)根(gen)據(ju)性(xing)能(neng)需(xu)求(qiu)自(zi)動(dong)調(tiao)整(zheng)供(gong)給(gei)係(xi)統(tong)處(chu)理(li)器(qi)的(de)電(dian)壓(ya)，使(shi)處(chu)理(li)器(qi)運(yun)行(xing)在(zai)能(neng)確(que)保(bao)應(ying)用(yong)軟(ruan)件(jian)正(zheng)確(que)運(yun)行(xing)的(de)最(zui)低(di)電(dian)壓(ya)和(he)頻(pin)率(lv)下(xia)。DVS和AVS的核心是先進電源控製器（APC）。圖2為AVS的原理框圖。
　　
在DVS模式中
，APC根據來自時鍾管理單元CMU的頻率請求

，從內部的DVS表中取出相應的電壓值，並傳送給PMIC。然後使用一個定時器來延遲CMU對於頻率的確認

，直到電壓穩定為止。
　　
在AVS工作模式中，當CMU為一個新的工作狀態請求一個新的頻率，並為該狀態設定一個新的HPM時鍾時，AVS的頻率就開始變化。隨後APC環路控製器使用硬件性能監視器HPM數據來確定所需的調節頻率。它反複調節電源電壓

，直到能滿足新頻率的要求（如圖3所示）。這一過程聽起來雖然比較複雜，但是具有補償工藝和溫度波動、時鍾頻率變化
、電源變換器偏移等優點。與電壓固定的係統相比，AVS模式實現的動態電壓控製最多能降低70%的功耗。
　　
目前許多處理器芯片支持動態電壓、頻率控製，比如InteI公司的芯片支持SpeedStep

，AMD公司芯片支持的NCQ技術，ARM支持的IEM（IntelligentEnergyManager）和AVS（AdaptiveVoltageScaling）等。不過
，要讓動態電壓頻率調節發揮作用，真正實現節能，隻有芯片的支持還是不夠的，還需要軟件與硬件的綜合設計。[page]
　　
一個典型的動態電壓頻率調節係統的工作流程如下（主要部件及關係參見圖3）。
　　
①caijiyuxitongfuzaiyouguandexinxi，jisuandangqiandexitongfuzai。zhegeguochengkeyiyongruanjianshixian，yekeyiyongyingjianshixian。ruanjianshixiandeguochengshizaicaozuoxitongdehexintiaoyongzhonganfanggouzi
，genjuhexinhanshutiaoyongdepindushiyongbutongdesuanfalaipanduanxitongdefuzai。CPU負載跟蹤與性能預測的工作也可以由硬件完成，如Freecscale的i.Mx31
，通過采集一些核心信號中斷線、Cache

、內存總線的使用情況等，計算當前的係統負載。這樣
，一方麵確保了負載計算的準確性；另一方麵減輕了CPU用於負載跟蹤與性能預測的負擔。不過

，硬件實現的缺點就是無法靈活地選擇預測算法。
　　
②根(gen)據(ju)係(xi)統(tong)的(de)當(dang)前(qian)負(fu)載(zai)，預(yu)測(ce)係(xi)統(tong)在(zai)下(xia)一(yi)時(shi)間(jian)段(duan)需(xu)要(yao)的(de)性(xing)能(neng)。有(you)多(duo)種(zhong)預(yu)測(ce)算(suan)法(fa)可(ke)以(yi)選(xuan)擇(ze)，要(yao)根(gen)據(ju)具(ju)體(ti)的(de)應(ying)用(yong)來(lai)決(jue)定(ding)。同(tong)樣(yang)的(de)，預(yu)測(ce)也(ye)可(ke)由(you)軟(ruan)件(jian)或(huo)硬(ying)件(jian)實(shi)現(xian)。
　　
③將預測的性能轉換成需要的頻率，從而調整芯片的時鍾設置。
　　
④根據新的頻率計算相應的電壓
，並通知電源管理模塊調整供給CPU的電壓。這需要特別的電源管理芯片，比如Freescale公司的MC13783或者NS公司的支持PowerWise特性的係列電源管理芯片。它們能夠支持微小的電壓調整（25mV）並且能在極短的時間內（幾十μs）完成電壓的調整。
　　
綜上所述，支持閉環AVS功能的標準係統配置必須有以下的基本元件：內置於處理器的先進電源控製器APC、集成PWI從屬器的電源管理芯片

，以及將兩者連接在一起的PWI串行總線。電源管理集成電路負責為處理器提供不同的電壓，電壓大小則由先進電源控製器內的PWI主控器負責調節，辦法是由主控器將有關的命令傳往PWI從屬器，再由相關的電路進行調節。
　　
先進電源控製器APC負責接收主處理器的命令，為電壓控製過程提供一個不受處理器影響的操作環境，以及實時跟蹤邏輯電路的操作速度。APC永遠處於戒備狀態，不斷監測係統的一切參數
，例如，係統溫度、負載、瞬態、工藝及其他有關的變動，每當APC收(shou)到(dao)有(you)關(guan)頻(pin)率(lv)即(ji)將(jiang)轉(zhuan)變(bian)的(de)消(xiao)息(xi)，立(li)刻(ke)分(fen)析(xi)判(pan)斷(duan)，以(yi)確(que)定(ding)若(ruo)以(yi)新(xin)頻(pin)率(lv)操(cao)作(zuo)，係(xi)統(tong)最(zui)少(shao)需(xu)要(yao)多(duo)大(da)供(gong)電(dian)電(dian)壓(ya)才(cai)可(ke)保(bao)持(chi)穩(wen)定(ding)。整(zheng)個(ge)過(guo)程(cheng)由(you)閉(bi)環(huan)電(dian)路(lu)負(fu)責(ze)監(jian)控(kong)。
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其他需要考慮的問題
　　
電dian壓ya的de降jiang壓ya將jiang導dao致zhi與yu外wai部bu芯xin片pian接jie口kou的de管guan腳jiao的de閾yu值zhi電dian平ping發fa生sheng變bian化hua，當dang與yu外wai部bu邏luo輯ji相xiang連lian時shi
，必bi須xu使shi用yong電dian平ping變bian換huan邏luo輯ji進jin行xing轉zhuan接jie，以yi適shi配pei接jie口kou兩liang側ce的de閾yu值zhi電dian平ping。例li如ru一yi個ge電dian壓ya為wei0.8～1.2V的AVS電路和一個固定電壓1.2V的電路接口，則AVS電路的接口邏輯必須按照1.2V接口進行適配設計。類似的，由於DVS或AVS可(ke)能(neng)導(dao)致(zhi)的(de)頻(pin)率(lv)變(bian)化(hua)

，與(yu)外(wai)部(bu)的(de)同(tong)步(bu)電(dian)路(lu)設(she)計(ji)接(jie)口(kou)時(shi)，必(bi)須(xu)計(ji)算(suan)接(jie)口(kou)的(de)時(shi)序(xu)餘(yu)量(liang)
，如(ru)果(guo)時(shi)序(xu)不(bu)能(neng)完(wan)全(quan)匹(pi)配(pei)，則(ze)還(hai)需(xu)要(yao)添(tian)加(jia)額(e)外(wai)的(de)同(tong)步(bu)或(huo)延(yan)時(shi)電(dian)路(lu)來(lai)進(jin)行(xing)時(shi)序(xu)調(tiao)整(zheng)。
　　
在調整頻率和電壓時，要特別注意調整的順序。當頻率由高到低調整時，應該先降頻率，再降電壓；相反，當升高頻率時，應該先升電壓，再升頻率。
　　
輸出電壓範圍及電壓變化期間的斜率是必須考慮的兩個參數。在電壓發生變化的DVSzhouqizhong
，bixukongzhishuchudianyadexielv，caiyongwaibuzujiankeyishixiankongzhi，yekeyicaiyongnenggouzaineibujiangdicankaodianyabianhuadetiaosudianrongqi，huozhebushunenggoutongguojiaoxiaodebuchang（如25mV）將輸出電壓從初始值調節到目標值的數字計數器等。
　　
不bu斷duan降jiang低di的de電dian壓ya電dian平ping對dui輸shu出chu電dian壓ya的de精jing度du也ye提ti出chu了le更geng高gao的de要yao求qiu。因yin此ci，一yi般ban很hen難nan找zhao到dao合he適shi的de標biao準zhun器qi件jian來lai滿man足zu相xiang關guan需xu求qiu。如ru果guo采cai用yong外wai部bu反fan饋kui分fen壓ya器qi，則ze電dian阻zu器qi的de容rong差cha會hui增zeng加jia內nei部bu電dian路lu的de總zong容rong差cha。此ci類lei係xi統tong中zhong的de整zheng體ti精jing度du始shi終zhong低di於yu采cai用yong內nei部bu固gu定ding輸shu出chu電dian壓ya的de解jie決jue方fang案an，盡jin管guan後hou者zhe需xu要yao2個額外的外接組件。因此，對於采用在工作過程中能夠微調的內部電阻分壓器的轉換器而言，需要定義一係列不同的電壓
，而且在-40～+85℃溫度範圍內達到±1％的整體DC精度。
　　
weilezaibutongdefuzaiqingkuangxiashixianzuijiadeshuntaixiangyinghuojiaodideshuchudianyarongcha，haibixucaiquqitacuoshi，chuleneibushejizhiwai
，haibixuyouhuawaibuyuanjian。caiyongjiaodidedianganzhi
，dianliunenggouyijiaokuaidesudutigao，zheyouqishihekuaisushuntaixiangying。zaishuntaiqingkuangxia，ruguomeiyoufuzai，zejiaodidedianganzhijiaoweiyouli，yinweitajianganzhaojiaodidedianyajinweishuchudianrongqichongdianbingqiejuyoujiaodidedianyaguochong。
　　
影響動態電壓與頻率調節技術得到廣泛應用的另一個最關鍵因素是預測的可靠性。沒有一種預測算法是100％準確的，也沒有一種算法可以應用於所有的程序
；而對於某些應用（如音頻

、視頻等）
，預測失敗的結果是不可接受的。但隨著預測算法的進步
，動態電壓、頻率控製技術必將得到廣泛的應用，因為它能夠節省很多能量。而節能對許多便攜式設備來說
，常常是第一要求。
　　
電dian源yuan管guan理li對dui手shou持chi設she備bei具ju有you日ri趨qu重zhong要yao的de意yi義yi。一yi個ge合he理li優you化hua的de係xi統tong是shi將jiang電dian源yuan管guan理li的de觀guan念nian貫guan穿chuan於yu設she計ji的de每mei一yi個ge環huan節jie，並bing且qie平ping衡heng考kao慮lv多duo方fang麵mian因yin素su設she計ji完wan成cheng的de。智zhi能neng地di對dui微wei處chu理li器qi供gong電dian電dian壓ya和he運yun行xing頻pin率lv進jin行xing調tiao節jie，非fei常chang有you利li於yu在zai保bao證zheng用yong戶hu工gong作zuo效xiao率lv不bu降jiang低di的de條tiao件jian下xia節jie省sheng不bu必bi須xu能neng耗hao。隨sui著zhe半ban導dao體ti技ji術shu和he電dian路lu設she計ji技ji術shu的de發fa展zhan
，會hui有you越yue來lai越yue多duo的de節jie能neng技ji術shu湧yong現xian，為wei手shou持chi產chan品pin的de發fa展zhan助zhu力li。