便携式装置的电源管理：电源管理不再是仅限于硬件的问题

无线便携式装置的发展正逐渐面临僵局。随着无线手机上的新运算、通讯和娱乐应用的集成，电源的需求也正快速增加当中，但是电池容量的增加速度，却无法赶上需求增长的速度。与此同时，消费者也希望拥有轻薄短小，可以轻松放入口袋的便携式装置。芯片的集成—通常是在单一装置中结合多核心处理器的作法—和更小的次微米工艺让无线手机的尺寸得以进一步缩小，同时又能增加更多的功能。然而遗憾的是更小的次微米工艺会使得静态漏电功率消耗(static leakage power) 的问题变得更为严重。无线手机和其它便携式装置的制造厂商也面临了在减少耗电的同时，必须要提升系统效能的挑战。换言之，这就像又要马儿好，又要马儿不吃草。

硅芯片和软件空间的快速集成，也对电源管理工程师带来了设计上的重大问题。电源管理不再和过往一样，仅仅与硬件相关，相反地，它成为了一种系统问题，并且需要所有涉及系统设计流程的工程人员共同解决。硬件层面和软件层面都必须做出电源管理的相关决策。在硬件和软件层面，都研发出新的技术，同时也已加以应用。对移动电话的系统层面越来越着重的现象，迫使设计人员对电源管理采取全方位与动态的设计方式，以在不影响效能的前提下，有效降低功耗。

设计人员使用许多不同的技术来达成目标—亦即有效的处理器、可变速度频率、电路保护(circuit shutdowns)、低电压逻辑、软件设计辅助和先进电源管理软件等（见图1）。系统层级的电源管理架构通常是从来源的节能开始。例如电池管理IC 系统和系统电源稳压器(system-power regulators) 能够让工程人员设计出省电的产品。以附有RF 接收器的一般无线产品为例，设计人员可以使用线性RF 电源控制器作为开关，以在无线功能未被使用时达到节省能源的效果。但是有效的电源管理架构，必须要因应系统设计的各个层面，而软体架构则在系统层级的电源管理当中，扮演了关键的角色。

图1：不同电源管理的技术。

电源管理之硅芯片技术

将电源电压降低一半，能将功耗降低到原来的四分之一(P=V^2/R)。但是降低的电源电压加上较快的频率，会导致噪声抗扰性( noise-immunity) 的问题。业界也发展出一些新的技术，来减少这类低电力-高频率的问题。举例而言，德州仪器最近就推出了先进的超低压CMOS (AVC) 逻辑系列产品，其于3.3、2.5，或 1.8V 的电压下的传递延迟只有约 2 nsec。数字逻辑模块则能够在更低的电压下运作，进一步降低整体系统的耗电量。

数字设计人员已经能于超深次微米 (130-, 90-和 65-奈米)工艺执行微处理器，他们发现更稀薄的氧化物和更小的通道长度能够产出更快的晶体管。同样地，模拟基频(analog baseband)和RF 设计人员也遵循同样的集成方式，将单芯片无线解决方案提供给其终端顾客。然而电压调变的速度未能赶上氧化物调变，导致具有漏洞的系统解决方案产生—进而造成电池寿命的缩短。幸运的是，某些电源管理的技术是能够用来降低单芯片解决方案当中的电力功耗损失的。

电力流失有三种不同的形式：启动耗电、待机耗电（有时称为”休眠模式”)，及关闭模式电流泄漏电。

在启动模式当中，功耗为静态偏压功耗和平均开关或频率（动态）功耗的加总。待机为低功耗的状态，因待机时由于频率被限制或关闭，因此几乎可以说是没有任何动态功耗的情形。在这个模式当中，静态非活动性的电流决定电池的使用寿命。第三种形式，亦即关闭模式功耗为芯片当中的晶体管在芯片呈断电状态，但输入供电依旧存在时，次临限( subthreshold )电流泄漏电的函数。

如果超低次微米( ultradeep-submicron) CMOS 工艺能够处理电池的较高电压的话(4.3 V to 5.4 V) ，关闭模式电流泄漏电则可以被忽略，因为有效的通道长度会比较长，而闸极氧化层(gate oxides) 也会较厚，同时启动电源功耗也会降低，因为此类流程的频率会较慢，而影响动态功耗的因素包括了电容、频率和输入供电。因而在这样的情况下必须解决电源管理电路与电池直接连结的问题。在小幅调整之下，经常被用来达到这个目的之电路为LDO(low dropout regulator )和 DC/DC 降压稳压器。

处理器也是移动电话SoC 当中的一个主要组件。处理器设计人员提供一系列可以用来达到功耗最适化的电源管理功能。举例而言，数种等待、闲置、待机和休眠的模式会在处理器无活动时，暂时停止其运作。其相对必须付出的成本则是处理器在接到重新启动的指令之后，回复运作所需要的时间。设计人员也在处理器的架构当中，纳入了自动省电的功能。CPU 设计人员藉由阻断频率，可以将功耗降到最低的水平。系统功耗和CPU 频率速度有直接的关系。许多CPU 采用的是可变频率，让设计人员可以调整频率，以达到最佳的省电效能。有些设计人员使用可变频率，透过软件以动态方式控制频率频率，因而间接控制功耗。这类程序在处理需求高时，可以增加CPU 的频率频率，而在执行非关键工作时，则调回较慢的速度。

电源管理之软件技术

数字处理器使用CMOS 为基础之电路，主要是由逻辑由true 转false ，或由false 转true 时消耗电力。开关之功耗与频率频率，以及供电电压的平方成正比。因此降低频率频率或供电电压均能降低功耗。改变电压或频率的机制则惯称为”动态电压”或”频率调变”。

微处理器普遍采用动态电压调整(DVS)的方式，达成显著耗电节省的目标。DVS in 微处理器当中的DVS 能够利用处理器利用率的变化，当处理器负载量低时降低频率（和电压），而当处理器负载量高时，则将频率（和电压）调整到最高。动态电压与频率调变逐渐被应用以透过利用闲置的CPU 资源，降低内建和实时应用的能源需求，同时仍旧保持所有应用的实时特性。在计算频率和电压时，关键在于精确地预测工作的执行时间，以确保满足所有工作的实时性限制条件。

许多软件电源管理表达式都是透过在硬件支持下，执行某种形式的电压或频率调整来达成设计目标。

最佳化的内建省电效能来自于控制系统、CPU 和周边装置的集成式软件管理计划。两种以标准为基础的方式：先进电源管理(APM) 与先进组态与电源界面(ACPI)均支持个人计算机当中的电源管理，但无法因应便携式装置的特定需求。

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先进组态与电源界面(ACPI)在1997 年导入桌上型与笔记型计算机的设计当中。ACPI 将电源管理的责任交付给操作系统，操作系统可以感测新的应用，并运用资料作出电源管理之决策。虽然 ACPI 主要乃针对桌上型和笔记型计算机所设计，但在为内建系统开发软件为基准之电源管理系统时，亦能作为一个良好的参考模式。有了ACPI，软件就能够自动控制周边设备之供电，而外围设备亦能够启动处理器。举例来说，以调制解调器接收来电将会从待机模式当中启动处理器，以撷取相关数据。这种主动积极的电源管理模式大幅增加了可携内建式装置的电池寿命。ACPI 为系统、处理器和周边装置定义一系列的降低功耗状态。当系统待机达到一定的时间之后，软件会进入系统电源管理或休眠状态。CPU 在任何这类的休眠状态下都不会运作。ACPI 规格定义了四个休眠状态的层级，每多一个层级都有更高的功耗节省程度，但也需要更长的时间才能重新开机。举例而言，如果软件以第四级的休眠状态，将内存的内容储存在硬盘当中的话，CPU 则需要花数秒的时间驱动硬盘，并重新输入内存，才能够继续之前的运作状态。

符合ACPI 规格标准的 CPU 有三种电源管理，或者称为C 状态，进入或结束这些状态所需要的时间很短。状态C1，程序停止执行指令(halt instruction) 几乎不需要任何时间，CPU 就可以重新启动。 C2 和 C3 消耗的电力较少，但是则需要较长的时间恢复运作。英特尔指出速度为 233-MHz 的笔记型计算机Pentium II 处理器在C2 状态下之功耗为0.5W ，并且需要10 msec 的时间恢复运作。同样的处理器在C3 状态下的功耗为 0.15W，但是需要65 msec 的时间重新启动。CPU 在操作者敲击键盘动作之间的闲置时间可以进入C 状态以节省可观的电力。ACPI 规格也定义了四个D 状态，让操作系统能够管理装置和周边芯片的功耗。D 状态视装置的种类不同，而有不同的意义。举例来说，调制解调器驱动程序可能会定义D0 为最大供电(full power)，D2 为最长回复时间2 秒；D3 则是最长回复时间5 秒。D 状态的有效应用会影响硬件设计，因为接口设备的断电状态会在不同的时点发生。

统一电源管理架构

上述的传统电源管理技术均普遍施行于无线手机、个人数字助理(PDA)、笔记型计算机和其他易受电源影响的装置当中。这些技术当然会继续被应用下去，不过寻求更为全面且积极的解决方案来同时因应电源和效能的问题是业界目前的趋势。对高效能、易受电源影响的应用而言，降低功耗只解决了一半问题而已。当今和未来的主要挑战，在于如何能够提供高效能的表现，同时又能降低每项功能的功耗。集成于手机上的复杂应用所需要的频率比语音通讯高了许多。例如，无线行动装置上的简易语音功能通常功耗低20MHz，而视频应用则可能需要200 MHz 或以上的频率。单是管理高分辨率视讯显示器成千上万的画素，就会产生极为大量的功耗处理循环。只有跨越功能区块，并且包括多重处理核心的创意新省电技术，才能够让系统自行动态调整，达到提升效能，降低功耗的目标。

动态电源管理并不能证明其可达成以最低电力提供最高效能的目标，设计人员必须经由全系统观点才能够达到这个目标。德州仪器的SmartReflex 技术藉由在不同层级达到功耗最适化的功能，提供了这样的观点，因此能够在最低功耗之下，提供最高的效能。

图2: SmartReflex 技术。

SmartReflex 技术是由三个面向所构成的：第一个为芯片的智能财产权(IP)，其次为SoC 设计层级可使用的技术，以及第三，负责管理许多与其它根据操作系统或第三方软件子系统紧密结合的硬件相关SmartReflex 技术的系统软件（见图 2）。 SmartReflex 技术跨越了许多传统的界线，例如工艺核心之间的分别。第一代和第二代的电源管理解决方案大部分都是依个别厂商而有所不同，同时受限于其范围。其仅能应用在特定的功能区块或特定核心上头。因此，它们仅能因应该装置小部分的功耗问题而已。相对地，SmartReflex 技术能够支持多核心、硬件加速器、功能区块、接口设备和其它系统组件。除此之外，SmartReflex 系统层级技术也开放给操作系统为基础和高阶电源管理算法，以建立在电源和效能层面可协同合作的环境。

如此强而有力的技术当然解决了许多系统层级的电源管理问题。无线电界面导向与应用最适化的高阶算法可以和这类的技术发挥相辅相成的效果，建立一个稳健而有效的电源管理系统。举例来说，GSM 手机可以建立一个方法 论，让手机在GSM idle 状态下时，数据机特定的硬件定义域会进入闲置(idle) 状态，而在手机进入GSM dedicated 模式时，则恢复启动状态。另外则视无线电界面和应用（例如Camera Preview 或MP3 播放器）的不同需求，而定义不同的休眠状态。定义了上述状态的有效状态转换逻辑，加上如德州仪器的SmartReflex 这种系统层级的基础，将能够解决许多电源管理的问题，同时让系统设计人员得以高枕无忧。

结论

市场的力量是会不停运转的。无线便携式装置和其它电池驱动的便携式装置，必须能积极地发展新的功能和应用，以满足使用者不断新增的需求。流行的风格和新的工业设计将会改变便携式装置的外型，促进芯片更高度的集成，以及更小工艺几何学的发展。无线电波通讯的新兴标准，加上使用者需求也会推动市面上更多新装置的出现。其中有些甚至可以根据原本的设计重新设定(reconfigurable)，例如SDR( Software Defined Radio)。当然，电源管理对这些装置而言，也将会是一个更为复杂的问题，解决这个问题唯一的方式，就是

采取全方位的系统设计方式。幸运的是产业界和学术界的各方人士都极为关注电源功耗的相关讨论，并且也都在努力解决这个问题。从模块化算法设计人员，到使用者接口设计人员，每个人都专注于在尽可能节省电力的前提下，提供最佳的产品效能。这样的专注，也必将在未来，为便携式装置的电源管理带来新的架构和解决方案。