功率管理——每个设计师的责任

  便携式系统设计师对功率都非常“敏感”。他们需要努力节省每一毫瓦以延长电池寿命，从而延长系统的运行时间。但对于使用交流电源的嵌入式系统开发人员来说，功率管理并非那么重要。真的是这样吗？

  事实上，不管是接入交流电源的系统还是便携式系统，如今所有的嵌入式系统都必须智能地管理功率。功率管理非常重要，并且其重要性是与日俱增。设计师为何需要关注功率问题的理由已经非常多，并且还在不断增加。例如，我们存储的数据量每年都在急剧膨胀。为了处理所有这些数据，需要更新更快的服务器，而且多多益善。

  更多服务器、甚至每个机箱内容纳更多的刀片服务器都意味着对电源更高的功率要求。新增的服务器会产生更多的热量，也就要求更好地冷却处理，空调系统就会越来越昂贵。而且别忘了电力本身的成本也比以往要高。

  因此为什么功率不是嵌入式系统开发人员的“首要”考虑因素呢？

  “功率问题已经开始成为首要考虑因素了，”飞思卡尔半导体公司工程技术经理Rob Oshana表示，“历史上，嵌入式系统的全部任务就是完成好对希缺资源的分配，如性能、内存和功率。但性能曾是关键品质，所以经常以牺牲功率为代价。”

  也许更能说明问题的是功率管理设计有多难。从软件开发和芯片设计方面看，性能通常比较容易管理。提高时钟频率是提高性能的简易途径，但它却会加剧功率问题。

  系统成本是另外一个考虑因素。降低系统功率就会减少风扇和散热器的使用数量，这是使用较低功率的另一个极好的理由。

图1：即时是接交流电的嵌入式系统，也并不意味着可以不关心功率管理问题。

  随着工艺技术的发展，设计师还需要对功率理解得更加透彻。随着当前工艺水平的提高，在一些案例中甚至达到了45nm，漏电流正成为影响总体功率预算的主要因素。嵌入式系统开发人员需要密切关注功率方程中的有效成分。

  Actel公司高级产品开发经理Tim Morin认为，需求将随着时间而不断改变。“你的计算需求在变化——它们总是在是变化。因此你如何能够在不必改变环境的条件下取得更好的功耗/热量耗散呢？你可以通过实现电源使用模型、理解有多少功率可用以及实际消耗多少功率来做到这一点。”

  一些业界人士并认为开发人员在设计中忽略了功率因素。Luminary Micro公司的Jean Ann Booth认为，“功率因素经常在设计过程的早期就被考虑到了，而且这样的做法越来越广泛。接交流电源但对功率越来越敏感的嵌入式领域包括白色家电(如电冰箱、洗衣机、干燥机等)和HVAC。”

  在过去几年中我们在白色家电中见证的许多功率改进，大多是政府指令和激励共同作用的结果，特别是美国联邦政府赞助的能源之星计划。但这些仍然不够。

  Booth认为，“除美国之外的每一个工业化国家都有相关的政府指令，要求对这类系统的功效进行改进。美国则选择通过消费市场自身的力量和对能源之星等级的渴求来鼓励能效改进。”

  尽早并经常考虑功率问题

  为什么在设计过程中尽早考虑功率因素如此重要？关键问题是能源消耗：全球对能源的消耗正在以惊人的速度增加。由于许多能源是从非再生资源(石油或煤)产生的，因此全球必须从越来越少的可用能源中压榨出更多的“油水”。工程师可以通过提高设备的效率或降低其总体功率要求来达到节省功率的目的。

  “提高效率”可以简单地用更新更具能效的器件替代老器件实现。因为全球总能源的约70%消耗在运动类设备上，因此对这类设备的改进将明显减少全球总的能源消耗。

  飞思卡尔公司网络与计算系统部的Don Shin指出，术语“功率”被使用过度了。“尽管功率对设计师而言确实是一个供应问题，并与FET、电容、电感之类的器件有关，但能源将更复杂，它决定了散热策略、系统尺寸和长期消耗成本。工程师经常讨论降低功率的问题，但他们真正讨论的是降低能源以支持热量、空间和成本约束。”

  不管今天我们对功率的理解程度达到了何种水平，所有设计师都理解和同意功率管理是、并且今后也一直是高优先级的考虑因素。