智能型自適應(yīng)電源電壓匹配減小能量消耗

引言
無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)以一種驚人的速度把世界互聯(lián)并伸展到每個(gè)角落。在新型的調(diào)制機(jī)制下，使用較少的帶寬就可以完成大量的數(shù)據(jù)傳輸。下一代的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)有望在世界的每個(gè)角落都實(shí)現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)傳輸。伴隨著高速基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的建成，人們勢(shì)必將大量的使用無(wú)線通訊設(shè)備，這對(duì)便攜式設(shè)備的性能就會(huì)有較高的要求。廠家很快就意識(shí)到無(wú)論是采用高能密度的電池還是采用技術(shù)相當(dāng)成熟的高效電源管理措施都很難滿(mǎn)足便攜式設(shè)備體積和工作時(shí)間之間的矛盾問(wèn)題。因此為了在無(wú)線通訊設(shè)備中實(shí)現(xiàn)功能以及運(yùn)行時(shí)間的飛躍，廠家采用了系統(tǒng)功能級(jí)的高效能量管理策略。降低完成某個(gè)功能的能量消耗就意味著電池中還有更多的能量用來(lái)完成其它的功能。這種能量管理策略正準(zhǔn)備用到一些常用的無(wú)線功能模塊如DSP、微處理器的計(jì)算單元以及發(fā)射器的電源放大單元中，而且這種革新性的方法用到無(wú)線通訊設(shè)備的微處理器中正變得日益流行起來(lái)。

業(yè)內(nèi)巨頭聯(lián)合
為了把處理器在一定時(shí)鐘頻率下消耗的能量降低到最小，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司(NS)和ARM公司聯(lián)合開(kāi)發(fā)了一個(gè)能量管理系統(tǒng)。該自適應(yīng)電源電壓匹配(AVS)策略采用標(biāo)準(zhǔn)的兩線式低功耗接口連接處理器和能量管理單元(EMU)，這種能量管理單元也叫智能電源接口(PWI)。
從通常意義上說(shuō)，AVS是指電源根據(jù)負(fù)載要求實(shí)時(shí)的調(diào)節(jié)相應(yīng)的電壓。盡管論文中的AVS指移動(dòng)電話中數(shù)字處理器的電源電壓調(diào)節(jié)，但實(shí)際上系統(tǒng)中的負(fù)載可以是任意的電子器件。使用帶AVS處理器的最大好處就是完成相同的功能所消耗的能量比采用固定電壓的處理器消耗的能量減少30~60％。所以能量的節(jié)約就意味著可以保證無(wú)線通訊設(shè)備在重負(fù)荷的情況下運(yùn)行更長(zhǎng)的時(shí)間。
AVS中能量節(jié)約的核心思想是：
1. 存儲(chǔ)在每個(gè)邏輯門(mén)中的能量正比于Vdd2，這主要是因?yàn)榇鎯?chǔ)在電容中的能量為1/2CV2。
2. 每個(gè)邏輯門(mén)傳輸過(guò)程中的延遲正比于1/Vdd。
3. 如果處理器的時(shí)鐘頻率降低，那么邏輯門(mén)的傳輸延遲會(huì)變長(zhǎng)，從而導(dǎo)致電源電壓Vdd可以降低以節(jié)約能量的消耗。
這種在處理器中降低能量消耗的方法不僅僅是把時(shí)鐘頻率盡可能的降低，更為重要的是降低了一定時(shí)鐘頻率下的核心電源電壓。圖1說(shuō)明了采用這種頻率和電壓調(diào)節(jié)的方法獲得的能量增益。

解決方法：開(kāi)環(huán)AVS
實(shí)現(xiàn)AVS的一個(gè)簡(jiǎn)單方法就是獲得電壓和頻率對(duì)照表。其中電壓是完成一定功能的所有器件和溫度范圍內(nèi)需要的最小電壓。
大多數(shù)廠家都采用開(kāi)環(huán)AVS的方法。盡管開(kāi)環(huán)AVS可以節(jié)約大量的能量，但不能保證所有節(jié)約的能量都可用。且對(duì)應(yīng)的工作頻率/電壓都必須被特征化，以保證所有的器件在各種溫度條件下工作電壓都足以滿(mǎn)足時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，特征電壓還必須包括電源調(diào)節(jié)的誤差(一般為5~10％)。考慮到處理進(jìn)程、溫度條件以及電源的變化，基于AVS的對(duì)應(yīng)表一般趨于保守一些并確保在所有的工作頻率下都具有繁雜的特征。
最大限度獲得電池能效：
閉環(huán)AVS
閉環(huán)AVS提供了一種全新的能量管理方法，它基于開(kāi)環(huán)AVS的思想而采用了一種完全不同的方式。AVS系統(tǒng)的目標(biāo)就是降低電源的電壓而仍然可以完成所需要的功能。開(kāi)環(huán)AVS是通過(guò)預(yù)先設(shè)定好的特征表來(lái)調(diào)節(jié)電源電壓，從而確保在處理進(jìn)程、溫度以及電源變化的情況下系統(tǒng)仍然可以工作。然而根據(jù)預(yù)先設(shè)置好的特征電壓表來(lái)調(diào)節(jié)電壓并不能確保最小的能量消耗，它只能確保任意條件下(頻率、處理進(jìn)程、溫度)獲得最大的傳輸延遲。事實(shí)上，閉環(huán)AVS是通過(guò)調(diào)節(jié)傳輸延遲余量來(lái)實(shí)現(xiàn)這個(gè)功能，也就是說(shuō)，無(wú)論處理器的處理進(jìn)程是什么、工作在什么溫度以及頻率下，閉環(huán)AVS都可以確保特定的延遲余量。由于電壓和傳輸延遲的關(guān)系，從而可以保證電源在任何工作條件下都可以工作在所需的最小電壓。

閉環(huán)AVS工作機(jī)制
由圖2可知，NS和ARM開(kāi)發(fā)的閉環(huán)AVS系統(tǒng)由兩個(gè)硬件——位于處理器內(nèi)的智能能量管理器(IEM)和自適應(yīng)電源控制器(APC)以及和AVS適應(yīng)的能量管理單元(EMU)構(gòu)成。ARM的IEM確定系統(tǒng)在一定任務(wù)下的最小性能(時(shí)鐘頻率)要求，APC接收到IEM的性能要求后確定處理器工作在該任務(wù)下的最小電壓，同時(shí)命令EMU達(dá)到最小電壓。要實(shí)現(xiàn)APC和處理器的同步工作、管理IEM需求以及電壓控制，處理器的抗干擾性就變得非常重要。控制性能的軟件調(diào)用都包含在IEM中，APC控制電壓跟蹤IEM并耦合到外部的EMU。AVS的EMU通過(guò)一種新型的開(kāi)放式標(biāo)準(zhǔn)接口PWI接收APC的解釋性指令。PWI是滿(mǎn)足下一代AVS便攜式系統(tǒng)要求的低功耗2管腳的串行協(xié)議接口。
閉環(huán)式AVS區(qū)別于基于電壓查詢(xún)表技術(shù)的開(kāi)環(huán)AVS主要是因?yàn)樗{(diào)節(jié)邏輯器件的傳輸延遲余量。這種系統(tǒng)中的電源電壓可增可減而延遲余量是一個(gè)固定值，不受系統(tǒng)的工作溫度和工作頻率的影響，許多的優(yōu)點(diǎn)都是基于這種方法。而且閉環(huán)AVS通過(guò)反饋環(huán)來(lái)保證延遲余量，不需要特征化電壓/頻率表，從而取消了系統(tǒng)工作的特征過(guò)程，這種技術(shù)也減小了對(duì)電源的調(diào)節(jié)要求。AVS環(huán)僅在系統(tǒng)需求改變以及需要補(bǔ)償通用電源調(diào)節(jié)帶來(lái)的