電路設計中的電源管理

2020-03-24

現代電子設備一直在各個(gè)方面尋求更高的效率。提升設備價(jià)值的最重要標準之一是設備消耗的電量。隨著(zhù)設備制造商朝著(zhù)環(huán)保綠色計算和清潔能源概念的方向發(fā)展，必須設計出節能的電路。例如，諸如智能手機之類(lèi)的獨立電池供電設備，客戶(hù)在購買(mǎi)前會(huì )探索的關(guān)鍵因素之一就是電池壽命。因此，在設計電路設計時(shí)進(jìn)行電源管理對于有效利用可用電源至關(guān)重要。

基于電源的電路設計分類(lèi)

我們幾乎所有的日常電氣和電子設備都是使用電路設計設計的。電路設計通常包括一個(gè)微控制器（例如ARM），FPGA，微處理器，ASIC和數字信號處理器以及存儲器以及輸入和輸出外圍設備?；?/span>電路設計的設備在多任務(wù)處理方面非常有效，并且還可以與其他網(wǎng)絡(luò )和設備接口。

基于功耗的類(lèi)型，電路設計分為兩種類(lèi)型。便攜式和非便攜式。便攜式設備依靠?jì)戎秒姵毓╇?。它們可以收費，并且可以隨時(shí)隨地使用。便攜式系統的一些示例是數碼相機，手持GPS系統，移動(dòng)電話(huà)等。由于高度耐用的電荷放電周期，鋰離子電池在最近的設備中是首先選擇。非便攜式設備需要持續連接到電源。除了不可移植系統之外，便攜式系統是電源管理至關(guān)重要的主要關(guān)注領(lǐng)域。

功率優(yōu)化需求

電池尺寸和壽命

隨著(zhù)設備的小型化和納米技術(shù)的出現，設備可分配給電池的空間正在減小。預計該設備將有效利用可用的功率和功能，而無(wú)需在性能上進(jìn)行權衡。在設備商業(yè)化期間，電池的使用壽命成為優(yōu)勢。

性能和功率利用率

電路設計是當前技術(shù)的癥結所在，因此每天都有更多功能添加到現有系統中。因此，管理權力變得至關(guān)重要。用戶(hù)對設備的使用具有不可預測的性質(zhì)，因此，這些設備旨在滿(mǎn)足所有類(lèi)型的工作負載。

適應綠色技術(shù)

未來(lái)電子設備的電源很可能會(huì )從更環(huán)保的技術(shù)（例如太陽(yáng)能）中獲得。盡管太陽(yáng)能具有生態(tài)可持續性，但其功率密度與普通電力相同。在這種情況下，設備在任何情況下均有望高效工作。由于必須將熱量降到底，從而進(jìn)一步損失了功率。

電源管理技術(shù)

電路設計中的電源管理可以使用不同的技術(shù)在不同的階段完成。下面給出了可用技術(shù)的匯總。

 

軟件電源管理

軟件電源管理技術(shù)適用于設計階段和運行時(shí)。在開(kāi)始電路設計的物理設計之前，需要遵循三個(gè)步驟。它們是功率測量，功率分析和功率管理。軟件功耗測量是在各種抽象級別（例如電路，邏輯門(mén)，RTL或系統級別）上作為仿真完成的。軟件仿真雖然不提供實(shí)時(shí)的實(shí)際值，但會(huì )為設計人員提供一個(gè)估算值，基于此，設計人員可以?xún)?yōu)化其設計。

功率分析是一種用于評估功率并驗證系統功耗的實(shí)驗和估算技術(shù)。利用諸如PowerScope，PSIM之類(lèi)的軟件對電路設計中各個(gè)組件的功耗進(jìn)行建模。功率測量和分析的結果可以幫助設計人員將功率損耗的位置以及如何使其最小化歸零。這將導致電源管理協(xié)議的實(shí)施。

運行時(shí)軟件功能優(yōu)化是通過(guò)選擇操作系統來(lái)完成的。每個(gè)操作系統都有不同的計劃和執行任務(wù)的方法。算法因操作系統而異。因此，設計人員可以自由選擇適合其性能要求的操作系統，同時(shí)降低功耗。這種利用操作系統進(jìn)行電源優(yōu)化的方法稱(chēng)為基于任務(wù)的軟件電源管理。

物理設計期間的電源管理

硬件電源管理分為靜態(tài)電源管理和動(dòng)態(tài)電源管理兩種。在設計階段完成的電源管理是靜態(tài)電源管理（SPM）技術(shù)。它們針對硬件和軟件優(yōu)化。動(dòng)態(tài)技術(shù)使用運行時(shí)行為更改來(lái)減少系統中的功耗。

靜態(tài)或設計階段電源管理既包括硬件，也包括軟件。硬件優(yōu)化取決于體系結構的變化，電源組件的放置，布線(xiàn)以及提供適當的接地。軟件優(yōu)化依賴(lài)于在設計時(shí)應用的低功耗綜合和編譯。

運行時(shí)電源管理

運行時(shí)電源管理對于提高系統效率至關(guān)重要。運行時(shí)技術(shù)稱(chēng)為動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)。最重要的技術(shù)是動(dòng)態(tài)電壓和頻率縮放，低功率狀態(tài)，功率策略。

動(dòng)態(tài)電壓和頻率縮放

已經(jīng)針對可變電壓和頻率處理器開(kāi)發(fā)了動(dòng)態(tài)電壓和頻率縮放技術(shù)，其中處理器的頻率和電壓根據處理器的工作量而動(dòng)態(tài)變化。在空閑時(shí)間期間，動(dòng)態(tài)降低提供給系統各個(gè)組件的電壓，以減少整個(gè)系統的功耗。即使電壓發(fā)生變化，也應格外注意時(shí)鐘設計以保持計算時(shí)間。

低功耗狀態(tài)

兩個(gè)主要的低功耗狀態(tài)是掛起/恢復和CPU空閑（休眠）。暫停和恢復狀態(tài)使CPU處于保持狀態(tài)，并停止所有正在進(jìn)行的進(jìn)程。此狀態(tài)類(lèi)似于系統中斷，但其區別是未使用CPU或將其保持在新的已知位置。

系統處于空閑或休眠狀態(tài)時(shí)，CPU將無(wú)任何運行。僅高速緩存有效，CPU執行節電暫停指令，進(jìn)入NAP模式，該模式消耗的功率小于10mW。CPU也禁用計時(shí)器。因此，系統空閑比掛起恢復更節能。

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