如何使便攜式電子產(chǎn)品的電池技術(shù)充分發(fā)揮功效

個(gè)人及便攜式電子產(chǎn)品不斷推陳出新，發(fā)展步伐之快與摩爾定律的預(yù)測(cè)完全吻合。相較之下，電池技術(shù)的發(fā)展便遠(yuǎn)遠(yuǎn)落在其后。但新一代的產(chǎn)品必須采用極為耗電而內(nèi)含較多晶體管的芯片，才可支持那些受用戶歡迎的功能。問(wèn)題是用戶同時(shí)也希望新產(chǎn)品有較長(zhǎng)的電池壽命，無(wú)需頻頻充電。為了讓客戶能夠魚與熊掌同時(shí)兼得，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師必須考慮采用任何有助削減系統(tǒng)耗電量的技術(shù)。

這些節(jié)能技術(shù)基本上可以按照其執(zhí)行方式分為應(yīng)用層技術(shù)及后臺(tái)技術(shù)兩大類。應(yīng)用層技術(shù)由應(yīng)用程序本身來(lái)執(zhí)行，以打印機(jī)為例來(lái)說(shuō)，按次序打印的最后一份文件完成打印之后，打印機(jī)便會(huì)改用低功率模式。后臺(tái)技術(shù)由操作系統(tǒng)、后臺(tái)任務(wù)或硬件來(lái)執(zhí)行，因此完全或幾乎不受主要應(yīng)用任務(wù)操控。外圍設(shè)備活動(dòng)監(jiān)控電路便是其中的一種后臺(tái)技術(shù)，其特點(diǎn)是可將顯示器背光系統(tǒng)或磁盤機(jī)馬達(dá)的電源切斷。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師必須對(duì)這些技術(shù)有一點(diǎn)基本的認(rèn)識(shí)，以便有需要時(shí)可以

加以利用，但沒(méi)有需要時(shí)則盡量不去干擾這些技術(shù)，或盡量避免為其加設(shè)任何形式的障礙，以免在設(shè)計(jì)周期的后期階段無(wú)法利用這些技術(shù)解決可能出現(xiàn)的節(jié)能問(wèn)題。

應(yīng)用層技術(shù)

遙控器等手持式設(shè)備的設(shè)計(jì)極為簡(jiǎn)單，操作模式只有開啟及關(guān)閉兩種。但這個(gè)看似簡(jiǎn)單的手持式遙控其實(shí)設(shè)計(jì)極為復(fù)雜，因?yàn)樗年P(guān)閉模式并非真正關(guān)閉，事實(shí)上，遙控長(zhǎng)期處于等待狀態(tài)，以便用戶可以隨時(shí)拾起，隨手便按。任何按鈕一經(jīng)觸動(dòng)，遙控便會(huì)從低功率的睡眠模式中喚醒，然后進(jìn)入全面活躍模式。較為先進(jìn)的電子產(chǎn)品可能會(huì)在開啟及關(guān)閉之間添加多個(gè)不同的模式，例如時(shí)鐘被固定在可以接受的最低速度，而暫時(shí)未用的電路區(qū)塊則全部關(guān)閉，以便節(jié)省用電。

調(diào)低操作占空度是一個(gè)可為許多系統(tǒng)解決節(jié)能問(wèn)題的方案。例如，建筑物的暖風(fēng)/通風(fēng)/空調(diào)系統(tǒng)的傳感器或控制器節(jié)點(diǎn)真正作出響應(yīng)的時(shí)間只有幾秒或幾分鐘。這些系統(tǒng)在大部分時(shí)間之內(nèi)都處于低功率模式的睡眠狀態(tài)，喚醒之后，便立即向傳感器取樣或發(fā)出新的控制輸出，由喚醒至完成工作全部時(shí)間不超過(guò)一秒，然后便回到睡眠狀態(tài)，直至下一次為止。喚醒信號(hào)可以由硬件計(jì)時(shí)器發(fā)出，這個(gè)計(jì)時(shí)器采用特別的配置，可以按照固定的周期性速度發(fā)動(dòng)系統(tǒng)。

操作模式也可以由外來(lái)信號(hào)控制。例如，控制門鎖的無(wú)匙進(jìn)出系統(tǒng)可能長(zhǎng)期處于低功率模式的睡眠狀態(tài)，一旦小鍵盤發(fā)覺(jué)有匙鎖合，便會(huì)喚醒無(wú)匙進(jìn)出系統(tǒng)。以上述情況來(lái)說(shuō)，多輸入喚醒（MIWU）支持便很有用，因?yàn)檩斎?輸出端口的輸入狀態(tài)一旦有變，多輸入喚醒功能便會(huì)喚醒處于低功率模式的中央處理器。執(zhí)行多輸入喚醒功能的邏輯電路區(qū)塊負(fù)責(zé)監(jiān)控端口管腳及外圍設(shè)備接口，以便檢測(cè)狀態(tài)是否有變。多輸入喚醒功能一經(jīng)設(shè)定，便可喚醒處于低功率模式的系統(tǒng)，然后發(fā)出中央處理器中斷信號(hào)。只要采用多輸入喚醒功能，系統(tǒng)在等待輸入信號(hào)時(shí)便無(wú)需先執(zhí)行鍵盤掃描環(huán)路或其他監(jiān)控軟件，因此可以大幅降低功耗。

協(xié)議規(guī)定的低功率模式

部分通信協(xié)議可以支持多種不同的低功率模式。例如，按照無(wú)線藍(lán)牙 （Bluetooth） 通信協(xié)議的規(guī)定，藍(lán)牙系統(tǒng)有三種低功率模式可供選擇：

· 探測(cè)模式 -- 藍(lán)牙系統(tǒng)檢測(cè)稱為微微網(wǎng) （piconet） 的局部藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)時(shí)，便處于低占空度的狀態(tài)。占空度的大小由微微網(wǎng)主機(jī)及從屬裝置互相協(xié)商而定，經(jīng)過(guò)協(xié)商同意后，主機(jī)及從屬裝置都可各自發(fā)出指令，以便改用探測(cè)模式。已采用探測(cè)模式的主機(jī)及從屬裝置也可各自發(fā)出指令，以便脫離探測(cè)模式。

· 保持模式 -- 藍(lán)牙系統(tǒng)可以停止檢測(cè)微微網(wǎng)一段時(shí)間，停止時(shí)間的長(zhǎng)短由主機(jī)及從屬裝置通過(guò)協(xié)商預(yù)先決定。經(jīng)過(guò)協(xié)商同意后，主機(jī)及從屬裝置都可各自發(fā)出指令，以便改用保持模式。預(yù)定的停止時(shí)間一旦屆滿，保持模式便會(huì)自動(dòng)終止。

· 停泊模式 -- 藍(lán)牙系統(tǒng)已終止與網(wǎng)絡(luò)的連線，但仍與該頻道保持同步。主機(jī)決定從屬裝置是否采用停泊模式。從屬裝置可以提出采用或停用停泊模式的請(qǐng)求，但采用停泊模式與否，完全由微微網(wǎng)主機(jī)決定，主機(jī)只需發(fā)出相關(guān)指令便可。

在以上的模式之中，探測(cè)模式的占空度最高，其次是保持模式，停泊模式的占空度最低。若藍(lán)牙系統(tǒng)已停止在微微網(wǎng)上的任何活動(dòng)，可以進(jìn)入低功率模式，但先決條件是有關(guān)的藍(lán)牙手機(jī)或設(shè)備不可脫離微微網(wǎng)獨(dú)自操作。

通過(guò)硬件執(zhí)行的低功率模式

嵌入式微控制器通常設(shè)有至少一個(gè)低功率模式，以支持實(shí)際應(yīng)用所需的電源管理功能。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體 CP3000 系列連接處理器采用先進(jìn)的電源管理技術(shù)，其中內(nèi)置的兩個(gè) 12MHz 及 32.768kHz 振蕩器負(fù)責(zé)支持四個(gè)不同模式：

· 活躍模式 -- 有關(guān)應(yīng)用以 12MHz 的系統(tǒng)時(shí)鐘頻率全速操作。片上鎖相環(huán)路時(shí)鐘乘法器負(fù)責(zé)提供 24MHz 的中央處理器時(shí)鐘，也為通用串行總線 （USB） 節(jié)點(diǎn)控制器提供 48MHz 的時(shí)鐘。

· 節(jié)能模式 -- 中央處理器及指定的外圍設(shè)備都由 32.768kHz 的時(shí)鐘負(fù)責(zé)為其計(jì)時(shí)。12MHz 的振蕩器及鎖相環(huán)路可能會(huì)被關(guān)閉。

· 空閑模式 -- 中央處理器及指定的外圍設(shè)備沒(méi)有時(shí)鐘為其計(jì)時(shí)。由 32.768kHz 振蕩器為其計(jì)時(shí)的監(jiān)視器計(jì)時(shí)器設(shè)有編程功能，可以按照設(shè)定的參數(shù)發(fā)出信號(hào)，觸發(fā)系統(tǒng)脫離空閑模式。我們可以將多輸入喚醒模塊設(shè)定，以便一旦發(fā)覺(jué)端口管腳出現(xiàn)上升或下降邊沿，該模塊便會(huì)發(fā)出信號(hào)，觸發(fā)系統(tǒng)脫離空閑模式。

· 停止模式 -- 將 32.768kHz 的振蕩器關(guān)閉。多輸入喚醒模塊仍繼續(xù)操作，使外來(lái)信號(hào)可以觸發(fā)系統(tǒng)脫離停止模式。

我們可以利用不同的方法執(zhí)行這些模式，以便達(dá)到節(jié)能的目的。雖然沒(méi)有一套現(xiàn)成的規(guī)律可以適用于所有系統(tǒng)，但以下圖表列出實(shí)際應(yīng)用時(shí)適合藍(lán)牙及 CP3000 模式采用的電源管理模式。

適合協(xié)議及硬件兩種模式采用的操作模式

如何處置暫停使用的外圍設(shè)備

我們只要關(guān)閉暫停使用的外圍設(shè)備，便可減低大部分微控制器的耗電量。CP3000 系列芯片分別為每一外圍設(shè)備區(qū)塊提供啟動(dòng)位。這款芯片可以支持這么多外圍設(shè)備，根本沒(méi)有任何應(yīng)用可以完全用盡這些外圍設(shè)備區(qū)塊，因此必定有部分外圍設(shè)備區(qū)塊暫時(shí)未用。為了降低功耗，這些未用的外圍設(shè)備區(qū)塊必須全部關(guān)閉。

由于外圍設(shè)備所需的時(shí)鐘頻率與系統(tǒng)的時(shí)鐘頻率不同，也由于外圍設(shè)備的時(shí)鐘頻率不受所采用的電源管理模式操控，因此 CP3000 芯片的時(shí)鐘合成模塊負(fù)責(zé)為這些外圍設(shè)備提供獨(dú)立的時(shí)鐘。為了盡量節(jié)省能源，有關(guān)應(yīng)用應(yīng)關(guān)閉這些未用外圍設(shè)備的輔助時(shí)鐘。

如何處置暫停使用的端口管腳

我們?nèi)羧斡蓻](méi)有被驅(qū)動(dòng)的 CMOS 輸入端浮動(dòng)至邏輯電平介于 0 與 1 之間的輸入電壓范圍，便會(huì)耗用大量的供電。輸入/輸出端口若配置為輸入端，而且任由其自由浮動(dòng)，上述情況便有可能出現(xiàn)，因此任何并非外在驅(qū)動(dòng)、或拉高/拉低的輸入端口便應(yīng)配置為輸出端。CP3000 端口電路設(shè)有可編程的上拉功能，隨時(shí)可以加以利用，以免沒(méi)有被驅(qū)動(dòng)的輸入端自由浮動(dòng)。

CP3000 的端口管腳在芯片復(fù)位后配置為輸入端，這是 CP3000 芯片的預(yù)設(shè)配置。采用這樣的配置是有必要的，因?yàn)橥饨釉赡軙?huì)驅(qū)動(dòng)這些端口管腳。這些端口管腳若預(yù)設(shè)為輸出端，微控制器與外接元件可能會(huì)在復(fù)位后互相爭(zhēng)奪使用緩沖區(qū)。因此，有關(guān)應(yīng)用有責(zé)任在復(fù)位后配置沒(méi)有被驅(qū)動(dòng)的端口管腳。

后臺(tái)技術(shù)

后臺(tái)的電源管理技術(shù)與有關(guān)應(yīng)用之間可能會(huì)產(chǎn)生交互作用，以致有關(guān)應(yīng)用可能需要作出相應(yīng)的配合，但這些電源管理技術(shù)也可能完全不受有關(guān)應(yīng)用操控。即使兩者互不干擾，設(shè)計(jì)軟件程序的工程師可能需要設(shè)定中斷指令或調(diào)動(dòng)其他資源，以便為這些電源管理技術(shù)提供支持。這些設(shè)計(jì)程序的工程師也可能需要了解這些技術(shù)的實(shí)際運(yùn)作，以免有關(guān)應(yīng)用與電源管理技術(shù)之間出現(xiàn)意想不到的干擾。例如，不必要的顯示刷新或磁盤存取操作可能會(huì)對(duì)其中部分操作流程造成干擾，使已停止使用一段時(shí)間的顯示器背光系統(tǒng)或磁盤機(jī)馬達(dá)無(wú)法關(guān)閉。

活動(dòng)監(jiān)控程序

許多系統(tǒng)設(shè)計(jì)所采用的外圍設(shè)備如顯示器背光系統(tǒng)及磁盤機(jī)馬達(dá)比微控制器更為耗電。對(duì)于這類設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)，專門監(jiān)控個(gè)別外圍設(shè)備的活動(dòng)監(jiān)控程序可以大幅改善系統(tǒng)的能源效益?；顒?dòng)監(jiān)控程序有本身的計(jì)時(shí)器，受監(jiān)控的外圍設(shè)備無(wú)論進(jìn)行哪樣的工作，都可避免計(jì)時(shí)器超過(guò)其設(shè)定時(shí)限。若計(jì)時(shí)器出現(xiàn)溢位或下溢 （出現(xiàn)哪一情況取決于計(jì)時(shí)器的設(shè)置），會(huì)將外圍設(shè)備關(guān)閉或?qū)⒅糜诘凸β实哪Ｊ健?/p>

典型的活動(dòng)監(jiān)控程序利用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) （RTOS） 提供的服務(wù)編定后臺(tái)任務(wù)，以便處理已排程的事項(xiàng)，其中包括活動(dòng)監(jiān)控程序的任何資料更新。有關(guān)的后臺(tái)任務(wù)必須預(yù)早編定，以便實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以按照某一固定頻率定時(shí)提出任務(wù)呼叫，一般來(lái)說(shuō)每 10 至 100 毫秒 （ms） 之內(nèi)呼叫一次。一旦已發(fā)出任務(wù)呼叫，任何必須執(zhí)行的已排程工作都需要接受后臺(tái)任務(wù)的審查，審查完畢后有關(guān)的后臺(tái)任務(wù)便會(huì)暫停，直至再發(fā)出呼叫為止。

有關(guān)系統(tǒng)也可利用信號(hào)量或不同任務(wù)之間的信息傳遞功能，以便發(fā)布某一外圍設(shè)備正在進(jìn)行存取的信息。系統(tǒng)發(fā)出后臺(tái)任務(wù)呼叫之后，會(huì)先核查有關(guān)設(shè)備是否已收到信號(hào)。若有關(guān)信號(hào)仍未收到，計(jì)數(shù)器的數(shù)字會(huì)調(diào)高。若計(jì)數(shù)器出現(xiàn)溢位，系統(tǒng)便會(huì)關(guān)閉外圍設(shè)備。若有關(guān)信號(hào)已收到，計(jì)數(shù)器便會(huì)進(jìn)行復(fù)位。

進(jìn)入有關(guān)設(shè)備進(jìn)行存取的設(shè)備驅(qū)動(dòng)器可能會(huì)確定復(fù)位信號(hào)的真?zhèn)巍．?dāng)系統(tǒng)呼叫驅(qū)動(dòng)器進(jìn)入設(shè)備執(zhí)行某一驅(qū)動(dòng)器功能時(shí)，驅(qū)動(dòng)器會(huì)確定后臺(tái)任務(wù)信號(hào)的真確性。若驅(qū)動(dòng)器本身沒(méi)有這個(gè)功能，工程師可以先修改驅(qū)動(dòng)器的源代碼，然后加以重新編譯，以便提供這個(gè)功能，但若這樣做，驅(qū)動(dòng)器便不再屬于標(biāo)準(zhǔn)的一類。若果必須確保相關(guān)源代碼及程序可與驅(qū)動(dòng)器程序庫(kù)的新版程序兼容，有一個(gè)具有較高便攜性的解決方案可供選擇，那就是先設(shè)定一組可傳送有關(guān)信號(hào)的功能或宏指令，然后才呼叫標(biāo)準(zhǔn)的驅(qū)動(dòng)器。

監(jiān)控功能也可以利用硬件執(zhí)行。外圍設(shè)備進(jìn)行存取時(shí)，計(jì)時(shí)器可以監(jiān)控硬件的活動(dòng)信號(hào)。計(jì)時(shí)器可視為自發(fā)計(jì)數(shù)器，每當(dāng)受監(jiān)控信號(hào)的真確性獲得確定之后，計(jì)時(shí)器便會(huì)重新進(jìn)行設(shè)定。若果計(jì)時(shí)器出現(xiàn)溢位，便會(huì)向中央處理器發(fā)出中斷信號(hào)。中斷服務(wù)例行程序隨后便會(huì)關(guān)閉相關(guān)的外圍設(shè)備。

硬件監(jiān)控器的響應(yīng)可能比軟件監(jiān)控程序快，但對(duì)于監(jiān)控外圍設(shè)備的監(jiān)控程序來(lái)說(shuō)，速度通常并不重要。即使利用軟件方案關(guān)閉顯示器背光系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn) 100ms 的延遲，但對(duì)電池壽命來(lái)說(shuō)，所產(chǎn)生的影響可說(shuō)微不足道。況且，完全利用軟件進(jìn)行監(jiān)控的解決方案也比較容易執(zhí)行，因?yàn)榛顒?dòng)監(jiān)控程序只需集中處理一項(xiàng)工作，而且工程師可以只認(rèn)識(shí)源代碼，不必對(duì)硬件計(jì)時(shí)器的結(jié)構(gòu)有任何認(rèn)識(shí)。此外，軟件方案具有較高的便攜性，因?yàn)橛嘘P(guān)的程序不會(huì)固定裝設(shè)在任何特定的硬件計(jì)時(shí)器之內(nèi)。但軟件方案需要占用較多的中央處理器帶寬，若系統(tǒng)需要經(jīng)常進(jìn)入受監(jiān)控的外圍設(shè)備進(jìn)行存取，這是一個(gè)需要慎重考慮的問(wèn)題。

電壓調(diào)節(jié)

若有關(guān)芯片的操作頻率低于其最高上限，我們很多時(shí)即使調(diào)低操作電壓，數(shù)字邏輯電路仍有足夠的計(jì)時(shí)容限。我們只要因應(yīng)頻率的轉(zhuǎn)變調(diào)節(jié)電壓，便可大幅降低功耗，以及大幅提高能源效益。動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié) （DVS） 功能基本上通過(guò)開放環(huán)路控制系統(tǒng)執(zhí)行，辦法是我們首先設(shè)定多個(gè)不同的頻率與電壓的固定組合，每當(dāng)操作頻率有變，電壓便會(huì)根據(jù)與該頻率相配的電壓值作出相應(yīng)修改。另一方面，自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié) （AVS） 功能則通過(guò)閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)執(zhí)行，辦法是利用片上傳感器決定最低可予接受的供電電壓，其優(yōu)點(diǎn)是比采用開環(huán)的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)方式節(jié)省更多能源。

CMOS 功耗是開關(guān) （動(dòng)態(tài)） 功率及漏電功率的總和：

P = PSWITCH + PLEAKAGE ？ C x VDD2Af + VDD x ILEAKAGE

上述公式中：

C 是指數(shù)字系統(tǒng)的開關(guān)電容

VDD是指供電電壓

f 是指開關(guān)時(shí)鐘頻率

A 是指開關(guān)活動(dòng)因子

ILEAKAGE是指漏電電流

動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)采用表列的方法，將不同的頻率與操作所需的供電電壓配對(duì)一起，顯示以某一頻率操作所需的供電電壓。每一時(shí)鐘頻率所需的供電電壓會(huì)因不同產(chǎn)品的不同要求而各異，而且有關(guān)的電壓值必定設(shè)定為最壞情況下所需的電壓，以便滿足不同芯片工藝技術(shù)及不同系統(tǒng)操作溫度的要求。圖1 顯示動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。若果根據(jù)系統(tǒng)工作管理程序所作的判斷，即使不以最高頻率操作性能也不受影響，那么系統(tǒng)便會(huì)發(fā)出啟動(dòng)指示，改變操作頻率及電壓。換言之，頻率會(huì)調(diào)低，而供電電壓也會(huì)隨著調(diào)低。由于上述有關(guān)功耗的公式之中的兩個(gè)變項(xiàng) （即 f 及 VDD2） 都一同調(diào)低，因此系統(tǒng)的操作功率會(huì)大幅下降。若果根據(jù)系統(tǒng)工作管理程序所作的判斷，系統(tǒng)的操作頻率必須提高，該管理程序便會(huì)向電源管理單元發(fā)出調(diào)節(jié)電壓請(qǐng)求，隨后時(shí)鐘產(chǎn)生器便會(huì)將操作頻率調(diào)高。提高電壓所需的時(shí)間可以通過(guò)不同的途徑?jīng)Q定，例如可以由片上計(jì)時(shí)器 （VDD_OK） 決定，也可根據(jù)系統(tǒng)的功能要求或電源管理單元的狀態(tài)標(biāo)記作出決定。但有一點(diǎn)需要注意，對(duì)于以最高頻率操作的固定電壓系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)功能不會(huì)為系統(tǒng)節(jié)省任何能源。

自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié) （AVS） 技術(shù)與利用開環(huán)控制系統(tǒng)執(zhí)行控制功能的動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)不同，自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)設(shè)有反饋電路，讓片上硬件性能監(jiān)控電路 （HPM） 可以為自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)提供反饋信號(hào)。由于硬件性能監(jiān)控電路設(shè)于微控制器之內(nèi)，所采用的工藝技術(shù)與微控制器所用的完全相同，而且操作時(shí)處于與系統(tǒng)同一的溫度環(huán)境內(nèi)，因此硬件性能監(jiān)控電路可以根據(jù)最接近系統(tǒng)真正需要的頻率調(diào)節(jié)供電電壓，而非為假設(shè)的最壞情況提供供電。

圖2 顯示自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。整個(gè)電路系統(tǒng)由以下 4 個(gè)功能區(qū)塊組成：硬件性能監(jiān)控電路、先進(jìn)電源控制器 （APC）、PowerWise？ 接口 （PWI） 及電源管理單元。PowerWise 接口由 ARM 公司及美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體合作開發(fā)，可為內(nèi)置的先進(jìn)電源控制器提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的雙線控制接口，以便控制外接的電源管理單元。由這幾個(gè)功能區(qū)塊組成的自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以自動(dòng)因應(yīng)時(shí)鐘頻率、溫度或芯片工藝切角提供操作所需的最低供電。

先進(jìn)電源控制器倚靠來(lái)自硬件性能監(jiān)控電路的輸入信號(hào)來(lái)衡量操作情況，以決定是否有能力提供所要求的供電。先進(jìn)電源控制器通過(guò) PowerWise 接口將電壓調(diào)節(jié)指令傳送至電源管理單元，而電源管理單元便按照請(qǐng)求提供所需的供電電壓。有關(guān)芯片便以最新調(diào)節(jié)的電壓操作，其性能則由硬件性能監(jiān)控電路不時(shí)作出監(jiān)控。若電源供應(yīng)系統(tǒng)有足夠空間可以進(jìn)一步調(diào)節(jié)供電電壓以滿足其要求，先進(jìn)電源控制器便會(huì)發(fā)出最新的電壓調(diào)節(jié)指令。供電系統(tǒng)必須按照先進(jìn)電源控制器的指示在規(guī)定時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)其供電電壓，以便自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)的反饋環(huán)路能夠保持穩(wěn)定。

無(wú)論嵌入式電腦以哪一頻率 （包括最高頻率） 操作，自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)都可為其提供足夠的電源供應(yīng)，滿足其操作需要。系統(tǒng)以最高頻率操作時(shí)，微控制器的供電規(guī)定已足以保證即使以最差工藝技術(shù)制造的芯片也可在最高操作溫度環(huán)境下正常操作。但一般來(lái)說(shuō)真正的操作溫度都比規(guī)定的最高溫度低，而芯片的工藝技術(shù)一般都比最壞的情況好。在這樣的情況下，即使以最高頻率操作，仍有足夠空間將電壓進(jìn)一步調(diào)低。開環(huán)動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)則無(wú)法發(fā)揮這個(gè)優(yōu)點(diǎn)，但自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)則可利用內(nèi)置式硬件性能監(jiān)控電路發(fā)來(lái)的反饋信號(hào)檢測(cè)實(shí)際供電是否超過(guò)性能所需，若情況屬實(shí)，先進(jìn)電源控制器便會(huì)指令電源管理單元將最高頻率的操作電壓調(diào)低。

有一款測(cè)試用的芯片采用 0.18mm 標(biāo)準(zhǔn) CMOS 工藝技術(shù)制造，內(nèi)含 ARM7 核心處理器、存儲(chǔ)器及輸入/輸出邏輯電路。其中的處理器及所有外圍邏輯模塊都設(shè)有自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)功能，可以將供電電壓由 1.8V 調(diào)低至 1.2V。其他的輸入/輸出、模擬電路及時(shí)鐘產(chǎn)生電路都獲得固定的 1.8V 供電電壓。此外，硬件性能監(jiān)控電路則負(fù)責(zé)與分立式穩(wěn)壓系統(tǒng)建立通信，而這個(gè)穩(wěn)壓系統(tǒng)在功能上仿似集成了先進(jìn)電源控制器、PoweWise 接口及電源管理單元的閉環(huán)系統(tǒng)。

這款芯片的評(píng)估電路板具備所有測(cè)量功能，而且可以在固定頻率/電壓模式及閉環(huán)自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)模式之間實(shí)時(shí)切換。此外，其中的功率測(cè)量反饋電路還可捕捉圖3 所示的數(shù)據(jù)。進(jìn)行測(cè)試時(shí)，中央處理器在固定穩(wěn)壓及自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)穩(wěn)壓等兩種情況下分別以 48、24、12 及 6 MHz 的頻率執(zhí)行一套基準(zhǔn)測(cè)試軟件。測(cè)試的結(jié)果顯示，若采用固定電壓模式，總功耗達(dá) 342mJ，但若采用自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)模式，總功耗則低至只有 141mJ。換言之，采用自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)模式比采用固定電壓更節(jié)能，而且所節(jié)省的能源可以高達(dá) 59% 。

總結(jié)

由于便攜式電子產(chǎn)品采用的芯片技術(shù)越來(lái)越先進(jìn)，因此這類以電池供電的便攜式系統(tǒng)的耗電量便不斷增加。雖然近幾年來(lái)電池技術(shù)已有大幅的改善，但在可見的將來(lái)，電池技術(shù)的發(fā)展仍會(huì)落后于芯片技術(shù)。由于消費(fèi)者對(duì)電池壽命的期望不會(huì)有很大的改變，系統(tǒng)必須盡量降低功耗，才可充分利用新一代芯片技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，加上部分技術(shù)需要硬件的支持，因此系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師挑選芯片時(shí)必須小心謹(jǐn)慎，才可為系統(tǒng)提供所需的功能。