用DVS功能實現(xiàn)系統(tǒng)節(jié)能

　　便攜設備的發(fā)展可以說是一日千里，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(shù)字基帶、圖像處理器和CPU等多個分處理器。但對于這些處理器來說，每個處理器不是在任何時刻都是滿負荷運轉(zhuǎn)的，它們在很多時間內(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)設計者所面臨的一個巨大問題。

　　動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（DVS）

　　動態(tài)電壓調(diào)節(jié)（Dynamic Voltage Scaling）技術(shù)就是解決這個問題的答案。動態(tài)電壓調(diào)節(jié)是這樣一種方法：當系統(tǒng)需要完成大量計算任務時，便提高處理器的電壓以增加其處理速度，而當系統(tǒng)不需要高速處理資料或只處于待機狀態(tài)時，處理器的核心電壓將會降低，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，在降壓的同時還有降頻。處理器的核心頻率由時鐘部件來調(diào)節(jié)。當處理器的計算任務不繁重時，時鐘部件會自動降低處理器的頻率。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(tǒng)頻率的同時，電壓也要相應降低，這項工作主要是由具有動態(tài)電壓調(diào)節(jié)降壓式DC/DC轉(zhuǎn)換器來完成的。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頻率工作時的效率為91%；PWM直流電壓精度為±2；PWM和PFM方式之間可實現(xiàn)平滑過度；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則是一個雙輸出通道DC/DC，每通道的輸出電流為600mA。

　　實現(xiàn)動態(tài)電壓調(diào)節(jié)的關(guān)鍵是I2C接口，通過這個接口，電源管理芯片可以同處理器進行通信。以FAN5355為例，其串行接口就符合標準、快速和高速I2C總線規(guī)范，最大數(shù)據(jù)傳輸速率可達到3.4Mb/s。

　　DVS的執(zhí)行

　　系統(tǒng)執(zhí)行動態(tài)電壓調(diào)節(jié)是一個復雜的過程。首先，要收集系統(tǒng)負載的信號，并對負載狀況做出判斷。這個過程可以用軟件實現(xiàn)，也可以用硬件實現(xiàn)。軟件實現(xiàn)一般是通過對負載占用系統(tǒng)資源的程度來進行判斷。硬件實現(xiàn)則通過采集一些核心信號中斷線、Cache、內(nèi)存總線的使用情況等，來計算當前的系統(tǒng)負載。其次，綜合各種監(jiān)測所得數(shù)據(jù)，對系統(tǒng)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(jù)具體的應用來決定。再次，將預測到的性能表現(xiàn)轉(zhuǎn)換成需要的頻率，從而調(diào)整芯片的時鐘設置。最后，根據(jù)新的頻率計算相應的電壓。通知電源管理芯片調(diào)整處理器的核心電壓。在這個過程中，電源管理芯片要能夠進行微小的電壓調(diào)整，井且能在極短的時間內(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實現(xiàn)動態(tài)電源管理

　　需要注意的是，在調(diào)整頻率和電壓時，要特別注意調(diào)整的順序。當頻率由高到低調(diào)整時，應該先降頻率，再降電壓；相反，當升高額率時，應該先升電壓，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，它在降壓過程中，會自動進入PFM模式。此時，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)換過程完成。降壓所需的時間是由負載電流和輸出電容所決定的。

圖2 FAN5355降壓過程

　　相比于降壓過程，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，這種方式需要的時間較長，但是可以實現(xiàn)電壓的平滑過渡。

　　結(jié)語

　　如果工作在1kMHz的CPU能降低10%的頻率，同時，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。這是一個令人驚喜的數(shù)據(jù)，雖然這項技術(shù)不能緩解能源短缺的大問題，但它至少也為我們節(jié)省了很多寶貴的能源。有理由相信，這項技術(shù)還會發(fā)揮更大的作用。