用DVS功能實(shí)現系統節能

　　便攜設備的發(fā)展可以說(shuō)是一日千里，各種功能不斷地整合其中。單以智能手機為例，其功能就完全可以媲美筆記本電腦。但復雜的功能需要功能強大的處理器，智能手機中已集成了模擬基帶、數字基帶、圖像處理器和CPU等多個(gè)分處理器。但對于這些處理器來(lái)說(shuō)，每個(gè)處理器不是在任何時(shí)刻都是滿(mǎn)負荷運轉的，它們在很多時(shí)間內都處于閑置狀態(tài)。因此，如何根據它們的工作狀態(tài)調整其功耗水平，就成了系統設計者所面臨的一個(gè)巨大問(wèn)題。

　　動(dòng)態(tài)電壓調節（DVS）

　　動(dòng)態(tài)電壓調節（Dynamic Voltage Scaling）技術(shù)就是解決這個(gè)問(wèn)題的答案。動(dòng)態(tài)電壓調節是這樣一種方法：當系統需要完成大量計算任務(wù)時(shí)，便提高處理器的電壓以增加其處理速度，而當系統不需要高速處理資料或只處于待機狀態(tài)時(shí)，處理器的核心電壓將會(huì )降低，這樣便可節省不必要的能耗。該技術(shù)的理論依據來(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?？梢钥闯?，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)調節。當處理器的計算任務(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處理器支持這項功能。

　　在降低系統頻率的同時(shí)，電壓也要相應降低，這項工作主要是由具有動(dòng)態(tài)電壓調節降壓式DC/DC轉換器來(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，可編程調節；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、PDA，以及手持設備圖形芯片（Nvidia、AMD）。

　　TI公司的TPS62350和National Semiconductor公司的LM3370也支持此項功能。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)現動(dòng)態(tài)電壓調節的關(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準、快速和高速I(mǎi)2C總線(xiàn)規范，最大數據傳輸速率可達到3.4Mb/s。

　　DVS的執行

　　系統執行動(dòng)態(tài)電壓調節是一個(gè)復雜的過(guò)程。首先，要收集系統負載的信號，并對負載狀況做出判斷。這個(gè)過(guò)程可以用軟件實(shí)現，也可以用硬件實(shí)現。軟件實(shí)現一般是通過(guò)對負載占用系統資源的程度來(lái)進(jìn)行判斷。硬件實(shí)現則通過(guò)采集一些核心信號中斷線(xiàn)、Cache、內存總線(xiàn)的使用情況等，來(lái)計算當前的系統負載。其次，綜合各種監測所得數據，對系統下一階段的狀況做出推斷。有多種預測算法可以選擇，要根據具體的應用來(lái)決定。再次，將預測到的性能表現轉換成需要的頻率，從而調整芯片的時(shí)鐘設置。最后，根據新的頻率計算相應的電壓。通知電源管理芯片調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)行微小的電壓調整，井且能在極短的時(shí)間內(幾十μs內)完成電壓的凋整。圖1為電源管理芯片執行DVS的電路原理。

圖1 用降壓式DC/DC實(shí)現動(dòng)態(tài)電源管理

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

　　不同的電源管理芯片有著(zhù)不同的電壓調節方式。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，直到電壓轉換過(guò)程完成。降壓所需的時(shí)間是由負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，FAN5355的升壓方式就要多樣一些。輸出電壓可以一步調整到位，也可以多步連續調節。多步調節的步階電壓為12.5mV，這種方式需要的時(shí)間較長(cháng)，但是可以實(shí)現電壓的平滑過(guò)渡。

　　結語(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%，結果將是系統能降低27%的功耗。這是一個(gè)令人驚喜的數據，雖然這項技術(shù)不能緩解能源短缺的大問(wèn)題，但它至少也為我們節省了很多寶貴的能源。有理由相信，這項技術(shù)還會(huì )發(fā)揮更大的作用。