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為現代數位化系統提供動力
 

【作者: National Semiconductor】   2006年10月05日 星期四

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當系統變得越來越複雜時,設計者的最大挑戰是:如何在應用功能中,為不同的模組/組合單元,設計不同的電源和電壓。尤其是針對手持式裝置而言,因為電池供電的限制,使得設計工作變得更加錯綜複雜。


在開始針對上述課題提出各類解決方案之前,首先須考量分析高階功率控制單元(APC)、硬體性能監視器(HPM)、動態電壓調整(DVS)及自適應電壓調整(AVS)等概念。


高階功率控制器功能


《圖一 高階功率控制器示意圖》
《圖一 高階功率控制器示意圖》

(圖一)所顯示的高階功率控制器有以下幾項功能︰


  • ●自適應和動態電壓調整的迴路控制器單元(SoC裡可能有多路電壓域);


  • ●反向偏壓電路的控制邏輯(可選擇);


  • ●編程(AMBA APB)的主機介面;


  • ●在SoC晶片系統上搭載時脈管理單元介面支援頻率調整;


  • ●控制電源電壓,電源管理晶片組PMIC到PowerWise介面(PWI);


  • ●管理功率模組並且調整APC操作的暫存器和控制邏輯。



APC基本上是SoC功率管理的大腦。它能按照主機系統指令,在微乎其微沒有軟體的作用支援下,展現複雜的功率管理策略。APC是一種完全合成的 IP,支援現有規格單元設計流程,這也包括掃描測試部分。


APC功率優化的原理,是來自於功率優化的原其可以選擇晶片系統上SoC的MCU/CPU工作頻率。APC使用HPM或查閱列表數據,為MCU/CPU 決定最佳的電源電壓,並且經由時脈管理單元,和PMIC與MCU/CUP進行相互作用,以對系統電壓和頻率轉換定序,進而確保系統操作時的耗電,處於最低環境。APC可被編程為多樣的操作模式,以支援暫停CPU、待機或者關機的職能。如有必要,藉由PWI 用PMIC直接交流的方式,也是可行之道。此方案對於控制非功率的管理功能整合PMIC而言,也是非常有用的作法。


硬體性能監視器功能

HPM代表的是硬體性能監視器,它屬於嵌入至高階功率控制單元(APC)裡的一個感測器單位。HPM 生產的數據,可被APC根據目前所使用的工作頻率,過程和溫度,把MCU/CPU的電源電壓調整成最佳工作電壓狀態。新一代多區域的SoC,可以包含多種電壓域及數個MCUs/CPUs,或者內含其他邏輯功能。 因此系統中可能有多個HPM,以便APC單獨控制SoC的全部電源電壓,使耗電降到最低。


有關電壓調整的計算方式

CMOS耗電計算,是動態開關功率和漏泄功率之和︰


《公式一》
《公式一》

其中,C表示數位化系統中的開關電容,VDD是電源電壓,f是開關時脈頻率,A是開關活動因子,ILEAKAGE 是漏泄電流。


從以上方程式中分析,頻率和電壓調整都會影響開關或動態耗電,而且電壓調整還會影響漏泄功率。但功率只是系統效率的其中一環,不是全部,影響終端電池壽命的真正關鍵,還是在於能源的消耗。能源消耗是功率隨時間的積分反映出來,可透過下列簡單的方程式計算︰



《公式二》
《公式二》

這裡ETASK是表示任務能量,也就是在tTASK時間內,完成某項任務需要的電池供電量。一般而言,在數位化的處理器中,一項任務會對應若干數量的CPU時脈週期。這也是為什麼,任務持續時間與處理器處理任務的頻率會成反比的原因。因此,就能源或電池工作時間而言,顯然只對頻率調整提出解決方案,仍然無法有效達到省電的目的,因為頻率調整只是簡單地調整耗電。從公式中可以瞭解,電壓調整是省電的關鍵,而頻率調整只是將電壓調整次數最大化的其一方法。


使用電壓調整,會顯著地影響最後的總功率和能源耗損。有兩種主要方法可以用於電壓調整︰動態電壓調整(DVS)和自適應電壓調整(AVS)。


動態電壓調整DVS

DVS 技術是一種列表的方法,是把各頻點與每個頻點上運行所需的電源電壓配對的方法。對每個時脈頻率來說, 電源電壓是由整個晶片處理過程的最差性能值和元件營運溫度變化所決定。


(圖二)顯示一個DVS系統的框圖。當系統任務管理器確定系統以低於最大頻率運行於可接受的範圍之內時,頻率和電壓就將發生變化。首先頻率降低,接著,電源電壓也隨之降低。系統操作功率大幅降低,因為在功率方程式中,f 和VDD2都降低了。當系統任務管理器判定系統工作頻率需要增加時,它首先向功率管理單元(PMU)發出改變電壓的指令,接著時脈產生器就切換至更高的工作頻率。更高電壓所需的時間,可透過一個晶片上定時器(VDD_OK)來確定,或由系統調整,或由PMU上的一個旗標狀態(flag)來確定。這時應該注意,採用動態電壓調整DVS,對於固定電壓系統而言,當系統以最大處理器時脈頻率工作時,耗電並不會降低。


《圖二 DVS系統框架圖》
《圖二 DVS系統框架圖》

自適應電壓調整AVS

AVS與DVS開環技術並不相同。AVS技術能夠讓嵌入式計算系統,在各種工作頻率(包括最大頻率)下,實施接近最佳的運轉耗電。在最大頻率下工作的微控制單元的電源電壓技術要求,是要能夠確保最差晶片處理情況和最大工作溫度條件下操作的正確性。但是,實際工作溫度一般會低於最大工作溫度,實際晶片處理 環境也要比最壞的情況來得好。因此處於最大頻率之下的微控制單元,仍有降低電壓的空間。開環DVS技術不能利用這一項特點,但是採用晶片上HPM回授訊息的AVS技術,便能利用這個機會,即使系統工作在最大頻率之下,APC也可命令PMU降低電壓。


由於HPM和微控制單元整合在一起,所以它採用與微控制單元相同的製程,並且在設備操作溫度方面的變化完全一樣。這樣就可以將電源電壓調節到與元件實際可接受限值內的接近值。


實作AVS如(圖三)。它包括四個功能模組︰HPM、高階功率控制單元APC、晶片上APC用來控制外部PMU的標準雙線控制介面、PMU。這些元件組成一個可以在任何時脈頻率、溫度或矽製程拐點條件下,自動提供最低工作電壓的系統。


《圖三 實作AVS示意圖》
《圖三 實作AVS示意圖》

APC使用來自HPM的輸入訊息,判定電源電壓是否可進行優化。APC透過用來控制外部PMU的標準雙線控制介面,發送電壓調節指令送到PMU,然後PMU按照請求對電源電壓進行調節。調節後的電壓環境下,工作晶片的性能就由HPM不斷進行監控。如果有進一步優化的機會,APC會再發出新的電壓調節指令。APC發出指令後,電源必須能夠即時對其電壓進行調節,以便AVS控制系統回授迴路保持穩定。


延長電池壽命的高階功率管理模式

在自適應或者動態的頻率調整和電壓調整的模式下,系統會要求時脈管理單元,為處理器或者硬體加速器提供最佳工作頻率。當處理器或者加速器,正以低於最高時脈頻率的環境下操作時,通常可能降低工作電壓,並且將數位化邏輯的時序餘量,保持在可接受的範圍內。電壓以及頻率調整可大幅削減功耗,並且改進功率的效率。


如果在規定供應的電壓下,操作所要求的頻率時,是由APC決定看是以動態電壓調整、還是由自適應的電壓進行調整。動態電壓調整(DVS)適用於開環控制系統的一套固定的頻率和電壓對(亦即查閱表)。在該系統中,當頻率被改變時,電壓將被轉換成預設值。


相反地,自適應電壓調整(AVS)適用於閉環電壓控制系統,它採用一個晶片上的感測器,來判定最低可接受電源電壓。兩種模式都可以大幅地降低耗電,但是自適應電壓調整(AVS)還可另外針對溫度製程偏差及電壓調節器的精度偏差,進行補償。這使得AVS比DVS能更有效的控制電源電壓,而達到效率的最佳化。


(圖四)即顯示三種電壓調整計算法所能節省的能源比例。



《圖四 三種電壓調整計算法省能比例示意圖》
《圖四 三種電壓調整計算法省能比例示意圖》

比較DVS和AVS與傳統的開關功率管理模式,處理器在執行任務期間,以全速運轉,在處理兩個任務之間,可進入閒置狀態。在DVS模式中,處於任務完成的最後期限時,處理器的系統頻率方面會被降低,同時電壓也會被降低。與DVS相比,AVS系統使用與DVS相同的頻率,但是由於AVS是閉環電路,即使在處理器全速運作時,該電壓調整架構也可降低電源電壓。在更低的頻率下,AVS仍然可以實施額外的電壓調整。這是因為AVS能補償各種偏差。測量結果顯示,在處理器全速運作情況下,AVS和DVS可使系統耗電降低30%到50%。


由此可知,固定電壓、DVS 和AVS操作模式之間的耗電差別,將導致在這三種模式下,所累積的能源消耗效果大不相同。


功率管理與降低耗電的解決方案

至於如何在系統裡,把正確的功率和電壓供應到不同模組的細部做法,有以下數種。


《圖五 功率管理與降低耗電的解決方案》
《圖五 功率管理與降低耗電的解決方案》

由上述圖解中分析,功率管理和降低耗電的解決方案包括︰


整合功率控制單元與SoC

在這裡,功率控制單元被稱之為高階的功率控制單元APC,在SoC上支援管理多個單獨功率區域,採用最新功率管理計算法,例如自適應電壓的調整或動態的電壓調整,以頻率調節和反向偏壓的方式,來降低在SoC裡的有效及漏泄功率。APC則支援不同的操作模式,如SoC CPU上的待機和靜止狀態環境。


運用用來控制外部PMU的標準雙線控制介面

控制外部PMU的標準雙線控制介面是一種運用於即時功率管理而優化的開放式規格匯流排。藉由此介面,可讓APC與連接至匯流排的功率管理ICs進行交流與控制,進而能即時有效地使系統功率最佳化。


功率管理IC與控制介面和APC相容

在最有效率的模式裡,PMIC允許APC對SoC供電的電源電壓,進行連續與即時的閉迴路控制。這個閉迴路控制是利用硬體性能監視器HPM,來測量處理器上可使用的性能。APC會自動優化電源電壓與系統所要求的匹配性能,因此可使耗電量減到最低。(本文由National Semiconductor美國國家半導體提供)


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