智能型自适应电源电压匹配减小能量消耗

引言
无线传输网络以一种惊人的速度把世界互联并伸展到每个角落。在新型的调制机制下，使用较少的带宽就可以完成大量的数据传输。下一代的无线传输网络有望在世界的每个角落都实现高速的数据传输。伴随着高速基础网络的建成，人们势必将大量的使用无线通讯设备，这对便携式设备的性能就会有较高的要求。厂家很快就意识到无论是采用高能密度的电池还是采用技术相当成熟的高效电源管理措施都很难满足便携式设备体积和工作时间之间的矛盾问题。因此为了在无线通讯设备中实现功能以及运行时间的飞跃，厂家采用了系统功能级的高效能量管理策略。降低完成某个功能的能量消耗就意味着电池中还有更多的能量用来完成其它的功能。这种能量管理策略正准备用到一些常用的无线功能模块如DSP、微处理器的计算单元以及发射器的电源放大单元中，而且这种革新性的方法用到无线通讯设备的微处理器中正变得日益流行起来。

业内巨头联合
为了把处理器在一定时钟频率下消耗的能量降低到，美国国家半导体公司(NS)和ARM公司联合开发了一个能量管理系统。该自适应电源电压匹配(AVS)策略采用标准的两线式低功耗接口连接处理器和能量管理单元(EMU)，这种能量管理单元也叫智能电源接口(PWI)。
从通常意义上说，AVS是指电源根据负载要求实时的调节相应的电压。尽管论文中的AVS指移动电话中数字处理器的电源电压调节，但实际上系统中的负载可以是任意的电子器件。使用带AVS处理器的好处就是完成相同的功能所消耗的能量比采用固定电压的处理器消耗的能量减少30~60％。所以能量的节约就意味着可以保证无线通讯设备在重负荷的情况下运行更长的时间。
AVS中能量节约的思想是：
1. 存储在每个逻辑门中的能量正比于Vdd2，这主要是因为存储在电容中的能量为1/2CV2。
2. 每个逻辑门传输过程中的延迟正比于1/Vdd。
3. 如果处理器的时钟频率降低，那么逻辑门的传输延迟会变长，从而导致电源电压Vdd可以降低以节约能量的消耗。
这种在处理器中降低能量消耗的方法不仅仅是把时钟频率尽可能的降低，更为重要的是降低了一定时钟频率下的电源电压。图1说明了采用这种频率和电压调节的方法获得的能量增益。

解决方法：开环AVS
实现AVS的一个简单方法就是获得电压和频率对照表。其中电压是完成一定功能的所有器件和温度范围内需要的电压。
大多数厂家都采用开环AVS的方法。尽管开环AVS可以节约大量的能量，但不能保证所有节约的能量都可用。且对应的工作频率/电压都必须被特征化，以保证所有的器件在各种温度条件下工作电压都足以满足时间标准，特征电压还必须包括电源调节的误差(一般为5~10％)。考虑到处理进程、温度条件以及电源的变化，基于AVS的对应表一般趋于保守一些并确保在所有的工作频率下都具有繁杂的特征。
限度获得电池能效：
闭环AVS
闭环AVS提供了一种全新的能量管理方法，它基于开环AVS的思想而采用了一种完全不同的方式。AVS系统的目标就是降低电源的电压而仍然可以完成所需要的功能。开环AVS是通过预先设定好的特征表来调节电源电压，从而确保在处理进程、温度以及电源变化的情况下系统仍然可以工作。然而根据预先设置好的特征电压表来调节电压并不能确保的能量消耗，它只能确保任意条件下(频率、处理进程、温度)获得的传输延迟。事实上，闭环AVS是通过调节传输延迟余量来实现这个功能，也就是说，无论处理器的处理进程是什么、工作在什么温度以及频率下，闭环AVS都可以确保特定的延迟余量。由于电压和传输延迟的关系，从而可以保证电源在任何工作条件下都可以工作在所需的电压。

闭环AVS工作机制
由图2可知，NS和ARM开发的闭环AVS系统由两个硬件——位于处理器内的智能能量管理器(IEM)和自适应电源控制器(APC)以及和AVS适应的能量管理单元(EMU)构成。ARM的IEM确定系统在一定任务下的性能(时钟频率)要求，APC接收到IEM的性能要求后确定处理器工作在该任务下的电压，同时命令EMU达到电压。要实现APC和处理器的同步工作、管理IEM需求以及电压控制，处理器的抗干扰性就变得非常重要。控制性能的软件调用都包含在IEM中，APC控制电压跟踪IEM并耦合到外部的EMU。AVS的EMU通过一种新型的开放式标准接口PWI接收APC的解释性指令。PWI是满足下一代AVS便携式系统要求的低功耗2管脚的串行协议接口。
闭环式AVS区别于基于电压查询表技术的开环AVS主要是因为它调节逻辑器件的传输延迟余量。这种系统中的电源电压可增可减而延迟余量是一个固定值，不受系统的工作温度和工作频率的影响，许多的优点都是基于这种方法。而且闭环AVS通过反馈环来保证延迟余量，不需要特征化电压/频率表，从而取消了系统工作的特征过程，这种技术也减小了对电源的调节要求。AVS环仅在系统需求改变以及需要补偿通用电源调节带来的±5％的误差时才调节电源。这样的好处就是实现了任何工作条件下都可获得的工作电压，也能根据变化的动态改变电压。例如当温度改变、逻辑器件延迟改变时电压就会被调节到相应的延迟余量，而不采用电压/频率对应表。图3说明了温度补偿条件下的调节。通过使用闭环AVS，设计者就可以确保系统在给定的时钟频率下都可获得的工作电压。

结语
便携式设备不但要跟上小型化的步伐，还要确保新功能在设备中的不断应用。电池不可能提供实现这些功能所需的能量，因此必须降低能量的需求。闭环AVS技术通过保持内部逻辑器件具有的延迟余量从而降低了处理器的能量消耗，确保了电源在所有的工作模式下都可以工作在值，伴随着这些特征，使用闭环AVS技术的系统将会消耗较少的能量。■ (红林译)

参考文献
1 PowerWiseTM White Paper, located online at https://powerwise.national.com
2 K.Flautner and T. Mudge, 襐ertigo: Automatic Performance Setting For Linux? Proc. of 5th Symposium on Operation System Design and Implementation, 2002