可攜式電子設(shè)備中耗電量最大的元件為多媒體處理器。一般而言，最常用來(lái)降低中央處理器（CPU）功耗需求的方法是降低時(shí)脈頻率或操作電壓，但通常也會(huì)使系統(tǒng)效能降低。因此，晶片設(shè)計(jì)人員提出各種可直接在晶片上降低功耗，并且不對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生任何不利影響的方法。本文將解說(shuō)這些技術(shù)的概念及其達(dá)到節(jié)能效果的運(yùn)用方式，并探討可協(xié)助處理器晶片發(fā)揮完整功效的外部電源管理裝置及電源IC。

　　主動(dòng)式電源管理讓部分裝置得以順利運(yùn)作

　　晶片上電源管理技術(shù)適用于管理主動(dòng)式系統(tǒng)功耗及管理待機(jī)功耗兩種主要應(yīng)用類型。而主動(dòng)式電源管理分為叁個(gè)部分，分別為動(dòng)態(tài)電壓和頻率縮放（DVFS）、適應(yīng)性電壓縮放（AVS）及動(dòng)態(tài)功率切換（DPS）。另一方面，靜態(tài)功耗管理會(huì)在進(jìn)行更多處理程序之前先將閒置系統(tǒng)保持于低功耗狀態(tài)。這種電源管理通常是利用從待機(jī)到關(guān)機(jī)間的多種低功耗模式所進(jìn)行的靜態(tài)漏電流管理（SLM）。

　　主動(dòng)式模式利用DVFS，可根據(jù)應(yīng)用狀況所需的效能，在軟體中將時(shí)脈頻率及電壓降低。以內(nèi)含安謀國(guó)際（ARM）進(jìn)階精簡(jiǎn)指令集運(yùn)算（RISC）機(jī)器及數(shù)位訊號(hào)處理器（DSP）的應(yīng)用處理器為例，雖然ARM元件能以高達(dá)600MHz的時(shí)脈頻率進(jìn)行運(yùn)作，但并非總是需要所有運(yùn)算能力。一般而言，軟體會(huì)選取數(shù)個(gè)預(yù)先定義的處理器運(yùn)作效能點(diǎn)（OPP），包括確保處理器能以達(dá)到系統(tǒng)處理需求的最低頻率，進(jìn)行運(yùn)作所需的電壓。為了能將功耗最佳化以適用于不同應(yīng)用時(shí)增加更多彈性，可預(yù)先定義一組個(gè)別的裝置核心OPP，以便用于處理器的互連及周邊裝置。

　　為符合特定的OPP，軟體會(huì)將控制訊號(hào)傳送至外部穩(wěn)壓器，以設(shè)定最低電壓。如DVFS適用于兩個(gè)電壓電源VDD1（針對(duì)數(shù)位訊號(hào)處理器及ARM處理器供電）和VDD2 （針對(duì)子系統(tǒng)及周邊裝置間的互連供電），而這些電極可提供晶片所需的大部分電源，一般約為75～80%。將數(shù)位訊號(hào)處理器轉(zhuǎn)換為能讓ARM處理器以高達(dá)125MHz時(shí)脈頻率運(yùn)作的低運(yùn)作效能點(diǎn)，即可將MP3解碼，并能同時(shí)處理其他工作。只要將VDD1降至0.95伏特，而非可達(dá)到600 MHz運(yùn)作的1.35伏特最高電壓，便能以最佳功耗發(fā)揮以上功能。

　　第二種主動(dòng)式電源管理技術(shù)為適應(yīng)性電壓縮放（AVS），可根據(jù)晶片製造和裝置運(yùn)作期間出現(xiàn)的各種變化進(jìn)行調(diào)整。在DVFS中，所有處理器均具有預(yù)先設(shè)定的相同OPP，而此種技術(shù)和大多數(shù)現(xiàn)有製程相同，特定頻率需求的晶片效能會(huì)遵循經(jīng)過(guò)充分定義的電源分配方式。

　　相較于許多「冷」裝置，有些「熱」裝置能以較低的電壓達(dá)到特定的頻率，因AVS能使處理器感測(cè)自身的效能程度，并據(jù)以調(diào)整電壓電源。專用的晶片上AVS硬體不需處理器介入，便可執(zhí)行回饋迴路，并能動(dòng)態(tài)最佳化電壓位準(zhǔn)以因應(yīng)處理結(jié)果、溫度和硅晶片效能低落時(shí)出現(xiàn)的變化（圖1）。

　　圖1　使用CPLD進(jìn)行供電排序

　　在運(yùn)作中，軟體會(huì)為各個(gè)OPP設(shè)定AVS硬體，而控制演算法會(huì)通過(guò)I2C匯流排將指令傳送至外部穩(wěn)壓器，以逐步遞減適當(dāng)穩(wěn)壓器的輸出，直到處理器剛好超出目標(biāo)頻率需求為止。如開發(fā)人員能先以所有狀況都適合的電壓開始進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后以0.95伏特的125MHz頻率為目標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)（略高于圖1所示的V1）。然而，若將使用AVS的「熱」裝置插入系統(tǒng)中，則晶片上的回饋機(jī)制便會(huì)自動(dòng)將電壓降至安謀國(guó)際所需的0.85伏特或更低（略高于圖1所示的V2）。這兩種主動(dòng)式電源管理方法可以最低操作電壓，讓部分裝置在理想速度下進(jìn)行運(yùn)作。相較之下，第叁種的動(dòng)態(tài)電源切換（DPS）方法可確定裝置何時(shí)完成目前的運(yùn)算工作，若此時(shí)不需要，則會(huì)將裝置切換至低功耗狀態(tài)（圖2）。如在等候DMA傳輸完成時(shí)，處理器進(jìn)入低功耗狀態(tài)。在喚醒時(shí)，處理器會(huì)在數(shù)微秒的時(shí)間內(nèi)迅速回復(fù)正常狀態(tài)。

　　圖2　動(dòng)態(tài)電源切換使已完成工作的特定裝置部分進(jìn)入低功耗狀況。

　　SLM協(xié)助裝置全面切換至低功耗狀態(tài)

　　DPS只能將部分的多媒體系統(tǒng)單晶片（SoC）切換至低功耗狀態(tài)，但在某些情形下，必須將整個(gè)裝置都切換至低功耗狀態(tài)，不論是沒有任何應(yīng)用程式運(yùn)作時(shí)自動(dòng)切換，或是根據(jù)使用者需求進(jìn)行切換。在此種情形下，便可在啟動(dòng)待機(jī)模式或裝置關(guān)閉模式時(shí)運(yùn)用靜態(tài)漏電流管理（SLM）。其中主要的區(qū)別為，在待機(jī)模式中，裝置可保留內(nèi)部記憶體和邏輯電路的狀態(tài)，而在裝置關(guān)閉模式中，所有的系統(tǒng)狀態(tài)都會(huì)儲(chǔ)存于外部記憶體中。透過(guò)SLM，裝置的喚醒時(shí)間遠(yuǎn)少于冷啟動(dòng)，因?yàn)槌淌揭演d入于外部記憶體中，使用者不須等候整個(gè)作業(yè)系統(tǒng)（OS）重新啟動(dòng)。在使用媒體播放器時(shí)，若連續(xù)10秒鐘未處理任何工作且無(wú)任何使用者輸入，媒體播放器便會(huì)關(guān)閉顯示器，并進(jìn)入待機(jī)模式或裝置關(guān)閉模式，變?yōu)檫\(yùn)用SLM的其中一例。

　　以採(cǎi)用安謀國(guó)際Cortex-A8核心的德州儀器（TI）OMAP35x單晶片處理器為例，該裝置會(huì)進(jìn)入裝置關(guān)閉模式，也就是裝置可自動(dòng)喚醒的最低功耗模式。除被喚醒區(qū)域外，所有其他功耗區(qū)域都會(huì)關(guān)閉。因此，只有被喚醒區(qū)域會(huì)耗用來(lái)自輸入/輸出（I/O） 漏電流的電源。此時(shí)系統(tǒng)時(shí)脈會(huì)關(guān)閉，而被喚醒區(qū)域會(huì)以32kHz的時(shí)脈單獨(dú)運(yùn)作。OMAP35x也會(huì)自動(dòng)將訊號(hào)傳送至外部穩(wěn)壓器，在此深度休眠狀態(tài)中即可將穩(wěn)壓器關(guān)閉。處理器未保留任何記憶體或邏輯電路，系統(tǒng)狀態(tài)會(huì)在進(jìn)入裝置關(guān)閉模式前儲(chǔ)存于外部記憶體中。一旦經(jīng)過(guò)喚醒重設(shè)后，微處理器（MPU）會(huì)跳至使用者定義功能，雙通道同步動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取記憶體（SDRAM）控制器配置便會(huì)從暫存記憶體中回復(fù)。

　　通用技術(shù)打造節(jié)能效果

　　將上述的電源管理技術(shù)結(jié)合運(yùn)用，便能以最佳方式處理各種運(yùn)作狀況。當(dāng)可攜式多媒體播放器的系統(tǒng)活動(dòng)量相當(dāng)高時(shí)，如在觀看高解析度視訊狀況下，便能于VDD1上設(shè)定增速OPP。對(duì)于需要中等程度功耗的網(wǎng)頁(yè)瀏覽而言，可將VDD1及VDD2設(shè)定正常的OPP。對(duì)于功耗需求相對(duì)較低的音樂聆聽而言，則可將VDD1和VDD2設(shè)定最低的OPP。在這些例子中，都能啟動(dòng)AVS降低「熱」裝置和「冷」裝置兩者間的功耗差異。最后，若使用者將媒體播放器持續(xù)開啟，經(jīng)過(guò)幾小時(shí)或幾天都未使用，便能使用SLM自動(dòng)將裝置切換為裝置關(guān)閉模式。而為了能更加了解運(yùn)用這些功能可達(dá)到的節(jié)能效果（除非特別註明，下列所舉的例子都未使用德州儀器的AVS/SmartReflex技術(shù)），可思考下列幾種狀況。

　　?裝置關(guān)閉模式--0. 590毫瓦

　　此為德州儀器OMAP 3可自動(dòng)喚醒的最低功耗模式。在此模式中，除被喚醒區(qū)域之外，整個(gè)裝置都已關(guān)閉，而被喚醒區(qū)域是以低于32kHz的頻率進(jìn)行運(yùn)作。未使用的穩(wěn)壓器會(huì)關(guān)閉（VDD1=VDD2=0伏特），SDRAM會(huì)自行重新整理，而特殊啟動(dòng)順序會(huì)在喚醒時(shí)回復(fù)SDRAM控制器及系統(tǒng)狀態(tài)。

　　?待機(jī)模式--7毫瓦

　　在此裝置狀態(tài)中，被喚醒區(qū)域持續(xù)運(yùn)作，而其他所有非喚醒功耗區(qū)域則處于低功耗保留狀態(tài)（VDD1=VDD2=0.9伏特）。所有邏輯電路及記憶體都會(huì)予以保留。AVS會(huì)關(guān)閉。

　　?音訊解碼-22毫瓦（不包括DPLL及IO功耗）

　　ARM處理器以125MHz進(jìn)行運(yùn)作，但在進(jìn)入休眠模式后，只允許DMA從多媒體介面卡讀取輸入資料。影像、視訊及音訊加速器子系統(tǒng)（IVA）將MP3訊框（44.1kHz、128kbit/s立體聲）解碼，并將經(jīng)解碼的資料傳送至SDRAM中的緩衝器。晶片上多通道緩衝序列埠會(huì)將資料傳送至音訊編解碼器以供播放。而針對(duì)系統(tǒng)配置，DSP會(huì)以90MHz進(jìn)行運(yùn)作，并在毋須進(jìn)行任何處理週期中切換為低功耗狀態(tài)，以節(jié)省電源。此時(shí)，VDD1=0.9伏特，而VDD2=1伏特。

　　?音訊/視訊編碼--540毫瓦（不包括DPLL及IO功耗）。

　　此時(shí)會(huì)擷取音訊進(jìn)行編碼（48kHz且32kbit/s立體聲的AACe+），并同時(shí)擷取視訊進(jìn)行編碼（20訊框/秒且2.4Mbit/s的H.264 VGA解析度），然后將兩者加以儲(chǔ)存。在此同時(shí)，會(huì)一併顯示視訊。在此配置中，ARM處理器會(huì)以500MHz進(jìn)行運(yùn)作，DSP會(huì)以360MHz進(jìn)行運(yùn)作，而VDD1=1.2伏特，且VDD2=1.15伏特。晶片上的攝影機(jī)子系統(tǒng)也會(huì)擷取來(lái)自外部感應(yīng)器的視訊輸入，而多通道緩衝序列埠會(huì)擷取音訊PCM輸入，IVA則會(huì)將視訊及音訊編碼，經(jīng)編碼的資料會(huì)儲(chǔ)存于多媒體介面卡中，然后顯示子系統(tǒng)則將視訊加以調(diào)整，并將視訊傳送至液晶顯示器（LCD）和電視等輸出介面。

　　晶片電源重設(shè)/時(shí)脈管理器可達(dá)電源管理彈性

　　為達(dá)到有效的電源管理彈性，DSP處理器採(cǎi)用晶片上電源重設(shè)與時(shí)脈管理器（PRCM）。OMAP3530處理器將自身的功能區(qū)塊分為十八個(gè)功耗區(qū)域，各個(gè)功耗區(qū)域都有各自的開關(guān)。PRCM可開關(guān)所有的功耗區(qū)域，但使用者也可控制其中多個(gè)功耗區(qū)域。此外，根據(jù)邏輯電路與記憶體是否通電及時(shí)脈是否運(yùn)作中等條件，各個(gè)功耗區(qū)域都會(huì)進(jìn)入下列運(yùn)作中、非運(yùn)作中、保留或關(guān)閉四種狀態(tài)中的其中一種。

　　對(duì)于ARM元件裝置與DSP元件而言，這些狀態(tài)通常需要輔助穩(wěn)壓器進(jìn)行調(diào)節(jié)。市面上許多的穩(wěn)壓器都可達(dá)到此一功能，而這些穩(wěn)壓器也都須符合處理器的電壓、電流、功率迴轉(zhuǎn)率規(guī)格及功率升降定序等需求。為能在ARM處理器及DSP上執(zhí)行DVFS與AVS操作，相關(guān)穩(wěn)壓器必須支援I2C程式設(shè)計(jì)功能。在裝置關(guān)閉模式中，電路須能使用自動(dòng)發(fā)出的I2C指令或透過(guò)專用的通用型之輸入輸出（GPIO）訊號(hào)開啟或關(guān)閉VDD1與VDD2穩(wěn)壓器。GPIO訊號(hào)無(wú)任何I2C延遲，因此可達(dá)到較快的喚醒時(shí)間。為減輕設(shè)計(jì)工程師的負(fù)擔(dān)，上述各功用的所有功能最好都整合于單一裝置中，以大幅減少零件數(shù)量（圖3）。

　　圖3　進(jìn)階穩(wěn)壓器晶片整合多個(gè)個(gè)別切換穩(wěn)壓器與低壓降線性穩(wěn)壓器，可適用于處理OMAP35x處理器的電壓區(qū)域需求。