用DVS功能實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能

便攜設(shè)備的發(fā)展可以說(shuō)是一日千里，各種功能不斷地整合其中。單以智能手機(jī)為例，其功能就完全可以媲美筆記本電腦。但復(fù)雜的功能需要功能強(qiáng)大的處理器，智能手機(jī)中已集成了模擬基帶、數(shù)字基帶、圖像處理器和CPU等多個(gè)分處理器。但對(duì)于這些處理器來(lái)說(shuō)，每個(gè)處理器不是在任何時(shí)刻都是滿負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)的，它們?cè)诤芏鄷r(shí)間內(nèi)都處于閑置狀態(tài)。因此，如何根據(jù)它們的工作狀態(tài)調(diào)整其功耗水平，就成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)者所面臨的一個(gè)巨大問(wèn)題。

動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)（DVS）

動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)（Dynamic Voltage Scaling）技術(shù)就是解決這個(gè)問(wèn)題的答案。動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)是這樣一種方法：當(dāng)系統(tǒng)需要完成大量計(jì)算任務(wù)時(shí)，便提高處理器的電壓以增加其處理速度，而當(dāng)系統(tǒng)不需要高速處理資料或只處于待機(jī)狀態(tài)時(shí)，處理器的核心電壓將會(huì)降低，這樣便可節(jié)省不必要的能耗。該技術(shù)的理論依據(jù)來(lái)自下面公式。

P=fV2                   （1）

式中，P是處理器的功率，f是處理器的核心頻率，V是處理器的工作電壓。可以看出，要降低處理器的功耗，在降壓的同時(shí)還有降頻。處理器的核心頻率由時(shí)鐘部件來(lái)調(diào)節(jié)。當(dāng)處理器的計(jì)算任務(wù)不繁重時(shí)，時(shí)鐘部件會(huì)自動(dòng)降低處理器的頻率。目前，已有TI公司的OMAP系列處理器、Transmeta公司的Crusoe處理器、還有IBM公司的PowerPC 405LP處理器支持這項(xiàng)功能。

在降低系統(tǒng)頻率的同時(shí)，電壓也要相應(yīng)降低，這項(xiàng)工作主要是由具有動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器來(lái)完成的。Fairchild公司的FAN5355就是這種產(chǎn)品，它的輸出電流為800mA～1A；輸入電壓為2.7～5.5V；輸出電壓的范圍是0.75～1.975V，精度為6或7位，可編程調(diào)節(jié)；在3MHz頻率工作時(shí)的效率為91%；PWM直流電壓精度為±2；PWM和PFM方式之間可實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)度；輸出電壓步階為12.5mV；可支持的產(chǎn)品包括：SmartReflexTM兼容電源，DSP和μP控制器，智能手機(jī)、PDA，以及手持設(shè)備圖形芯片（Nvidia、AMD）。
TI公司的TPS62350和National Semiconductor公司的LM3370也支持此項(xiàng)功能。其中，TPS62350具有28μA的靜態(tài)電流，LM3370則是一個(gè)雙輸出通道DC/DC，每通道的輸出電流為600mA。

實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)的關(guān)鍵是I2C接口，通過(guò)這個(gè)接口，電源管理芯片可以同處理器進(jìn)行通信。以FAN5355為例，其串行接口就符合標(biāo)準(zhǔn)、快速和高速I2C總線規(guī)范，最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)到3.4Mb/s。

DVS的執(zhí)行

系統(tǒng)執(zhí)行動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程。首先，要收集系統(tǒng)負(fù)載的信號(hào)，并對(duì)負(fù)載狀況做出判斷。這個(gè)過(guò)程可以用軟件實(shí)現(xiàn)，也可以用硬件實(shí)現(xiàn)。軟件實(shí)現(xiàn)一般是通過(guò)對(duì)負(fù)載占用系統(tǒng)資源的程度來(lái)進(jìn)行判斷。硬件實(shí)現(xiàn)則通過(guò)采集一些核心信號(hào)中斷線、Cache、內(nèi)存總線的使用情況等，來(lái)計(jì)算當(dāng)前的系統(tǒng)負(fù)載。其次，綜合各種監(jiān)測(cè)所得數(shù)據(jù)，對(duì)系統(tǒng)下一階段的狀況做出推斷。有多種預(yù)測(cè)算法可以選擇，要根據(jù)具體的應(yīng)用來(lái)決定。再次，將預(yù)測(cè)到的性能表現(xiàn)轉(zhuǎn)換成需要的頻率，從而調(diào)整芯片的時(shí)鐘設(shè)置。最后，根據(jù)新的頻率計(jì)算相應(yīng)的電壓。通知電源管理芯片調(diào)整處理器的核心電壓。在這個(gè)過(guò)程中，電源管理芯片要能夠進(jìn)行微小的電壓調(diào)整，井且能在極短的時(shí)間內(nèi)(幾十μs內(nèi))完成電壓的凋整。圖1為電源管理芯片執(zhí)行DVS的電路原理。

圖1 用降壓式DC/DC實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)電源管理

需要注意的是，在調(diào)整頻率和電壓時(shí)，要特別注意調(diào)整的順序。當(dāng)頻率由高到低調(diào)整時(shí)，應(yīng)該先降頻率，再降電壓；相反，當(dāng)升高額率時(shí)，應(yīng)該先升電壓，再升頻率。

不同的電源管理芯片有著不同的電壓調(diào)節(jié)方式。以FAN5355為例，它在降壓過(guò)程中，會(huì)自動(dòng)進(jìn)入PFM模式。此時(shí)，流經(jīng)電感的反向電流被截止，PFM最小頻率控制被禁止，直到電壓轉(zhuǎn)換過(guò)程完成。降壓所需的時(shí)間是由負(fù)載電流和輸出電容所決定的。

圖2 FAN5355降壓過(guò)程

相比于降壓過(guò)程，F(xiàn)AN5355的升壓方式就要多樣一些。輸出電壓可以一步調(diào)整到位，也可以多步連續(xù)調(diào)節(jié)。多步調(diào)節(jié)的步階電壓為12.5mV，這種方式需要的時(shí)間較長(zhǎng)，但是可以實(shí)現(xiàn)電壓的平滑過(guò)渡。

結(jié)語(yǔ)

如果工作在1kMHz的CPU能降低10%的頻率，同時(shí)，其1.5V的核心電壓也降低10%，結(jié)果將是系統(tǒng)能降低27%的功耗。這是一個(gè)令人驚喜的數(shù)據(jù)，雖然這項(xiàng)技術(shù)不能緩解能源短缺的大問(wèn)題，但它至少也為我們節(jié)省了很多寶貴的能源。有理由相信，這項(xiàng)技術(shù)還會(huì)發(fā)揮更大的作用。