利用AVS技術與PWI能量管理單元降低系統能耗

Michael Drake美國國家半導體應用工程師
Netnarin (Joy) Taylor美國國家半導體高級產品市場工程師

　　筆記本電腦，手機，PDA等移動多媒體設備的功能日趨多樣化，相應的產品設計師不得不面對這樣一個挑戰：盡可能降低每一個環節的能耗以延長電池壽命。因為絕妙的產品創新設計如果以高能耗為代價，所謂的客戶體驗不過是“水中月，鏡中花”。

　　目前電源轉換效率已高達90%以上，通過進一步提升轉換效率已不是問題的關鍵。因此，引進一種全新的技術在系統層面進行能耗管理成為一種必須。

AVS及其原理
　　自適應電壓調節(AVS)技術采用閉環的方式盡可能的降低供電電壓，同時確保任務能按時完成。與傳統的預定義電壓頻率組合，即動態電壓調節DVS相比，AVS是一種更高效的電壓調節方式。DVS技術采用開環的方式調節電壓、預設頻率或按照電壓/頻率對照表進行調節。要保證所有元件可在任何溫度下都能正常地運行，電壓必須足夠。雖然這種開環方式可以合理降低部分功耗，但并不能完全達到節能要求。而AVS在確定最理想供電電壓時可以將工藝、溫度及供電情況所產生的影響全部計算在內，從而確保功耗可以減至最少。

　　自適應電壓調節(AVS)是一種系統級節電方案——通過獨立自動控制單片機 (SoC)中每一個處理引擎的供電電壓來降低數字單片機系統的功耗。這項技術嵌入了基于綜合先進的微控制器總線體系結構（AMBA）的內核，即高級功率控制器(APC) (參看圖2)。高級功率控制器(APC)可以指定單片機系統執行DVS功能或全面執行AVS功能。此外，高級功率控制器(APC)通過阻斷電源傳輸系統內部的互動， 確保供電電壓和數字邏輯功耗根據單片機時鐘頻率降至最低并產生最優化功率轉換效率。高級功率控制器(APC)利用3個接口與系統的其他電路連接一起，即AMBA標準主接口、時鐘管理單元(CMU)接口以及采用開放式標準的PowerWise接口(PWI)。主接口負責控制及配置高級功率控制器2(APC2)，而時鐘管理單元接口負責協調電壓及頻率。PWI接口是個簡單的高速(高達15MHz)的雙引腳串行接口，特別適合于多種可編程應用中的AVS及DVS需求。最新版 PWI 2.0標準可以用同一總線支持多個單片機及外圍設備。PWI接口可將有關電源管理的數據傳送到外置的能源管理單元(EMU)或控制其他外圍設備。  
　
                               圖1：AVS功能設置
PWI™能量管理單元
　　PowerWise® Interface (PWI™) 能量管理單元（EMU）是美國國家半導體面向移動計算平臺的高集成數字可編程電源產品。通過高速串行PWI鏈路，能量管理單元（EMU）可以對多種穩壓器進行控制與編程。將AVS與美國國家半導體的高級能量控制器（APC）相結合，可以在系統溫控范圍內實現全程最優化節能效果。如圖2所示，在固定電壓下，DVS和AVS系統中所達到的共同節能效果。
　
                                  圖2：采用DVS和AVS的節能圖

　　美國國家半導體推出的LP5552 能量管理單元，與PWI 2.0相兼容，并包含兩個對雙電壓域供電的PWI從器件。每個從器件都包括一個具有800mA輸出的DC/DC降壓開關，它可以在0.6V至1.235V范圍內進行數字編程。另外，在能量管理單元中有5個可編程LDO，可以為其它系統元件進行供電。

　　LP5552在許多系統中可作為整體電源來使用。應用諸如APC這樣的器件需要專用的PWI主器件，而應用LP5552只需要對系統中兩個通用I/O引腳上的PWI命令進行位拆裂。由圖3為LP5552的硬件配置
　 
                                     圖3. LP5552硬件連接

　　PWI 2.0 規格中規定，SCLK頻率可以低至32kHz。即使簡單的8位微控制器基本上也可以滿足這個要求。通過PowerWise連接的簡單的功能來控制LP5552，系統便可以執行一個可編程的電源或DVS電壓/頻率調節算法。我們將檢驗PWI寄存器寫入序列。注意這個代碼片斷假設LP5552從外部捆綁連接到從地址0， GPIO1（SCLK）已經被配置成一個輸出，而GPIO2（SPWI）則從輸出開始，但是可以在系統配置成為輸入。