智能系統(tǒng)的功耗管理與電源管理

智能系統(tǒng)的功耗管理與電源管理

北京航空航天大學(xué)何立民

智能系統(tǒng)是微控制器(MCU)基礎(chǔ)上的應(yīng)用系統(tǒng)。過去提到過的單片機(jī)，以及現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)都是智能系統(tǒng)。用“智能系統(tǒng)”概念能全面闡明從MCU誕生到單片機(jī)、嵌入式系統(tǒng)乃至物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代電子系統(tǒng)中功耗管理與電源管理的歷史變遷。

1 降低功耗是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的永恒課題

社會(huì)越進(jìn)步，人們消費(fèi)的電子系統(tǒng)越多。如今電子系統(tǒng)充斥在人們周圍，相應(yīng)的能源消費(fèi)巨大，綠色電子的呼聲越來越高。隨著電子系統(tǒng)日益顯著便攜化，人們對(duì)低耗系統(tǒng)日益青睞。于是，不斷降低電子系統(tǒng)的功耗水平。后來，人們發(fā)現(xiàn)在特定的CMOS集成電路產(chǎn)品中，功耗管理還能帶來系統(tǒng)的可靠性效益，并有利于系統(tǒng)的大規(guī)模集成。因?yàn)樵跒榻档凸亩黾酉到y(tǒng)待機(jī)時(shí)間里，可減少系統(tǒng)對(duì)噪聲的敏感度；降低功耗后，自然減少了能耗熱效應(yīng)，有利于系統(tǒng)的高密度集成。因此，降低電子系統(tǒng)功耗是電子系統(tǒng)發(fā)展的永恒課題。

最早的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，只看重功能性設(shè)計(jì)。隨著電子系統(tǒng)復(fù)雜程度提高，可靠性要求日益突出，便有了相應(yīng)的可靠性設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。如今，功能性設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)與低功耗設(shè)計(jì)已經(jīng)成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的三大板塊，缺一不可。功能性設(shè)計(jì)、可靠性設(shè)計(jì)都是有限的目標(biāo)設(shè)計(jì)，低功耗設(shè)計(jì)則是永無(wú)止境的要求。

電子系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)，經(jīng)歷了從本質(zhì)低功耗設(shè)計(jì)到功耗管理設(shè)計(jì)的巨大跨越。如今，隨著電子系統(tǒng)日益復(fù)雜、周邊設(shè)備日益擴(kuò)展、大系統(tǒng)日益增多，電子系統(tǒng)的功耗管理便不斷向電源管理延伸。

2 從功耗管理到電源管理

早期的傳統(tǒng)電子系統(tǒng)中，只有供電設(shè)計(jì)，沒有功耗設(shè)計(jì)與電源管理設(shè)計(jì)。僅有的低功耗設(shè)計(jì)，只體現(xiàn)在尋找低功耗水平的電子元器件與低功耗的電路設(shè)計(jì)中。即便到了微控制器時(shí)代，有了功耗管理的軟件技術(shù)，并沒有可立即用于功耗管理的微控制器。早期的單片機(jī)，如1976年推出的MCS-48，以及完善后的MCS-51，采用的都是高速度、高密度HMOS工藝，不具有功耗管理的現(xiàn)實(shí)可能。后來，用CMOS工藝代替HMOS工藝，將MCS-51變革到了80C51。這一變革帶來了微控制器功耗管理的可能。因此，功耗管理概念及應(yīng)用始于微控制器的CMOS工藝時(shí)代。CMOS微控制器可提供空閑方式和掉電方式兩種功耗管理方法。在空閑方式下，凍結(jié)CPU，只維持RAM定時(shí)器、串行口和中斷系統(tǒng)正常功能。掉電方式下，保存RAM數(shù)據(jù)，停止時(shí)鐘振蕩與芯片內(nèi)其他功能。這種功耗管理模式基于CMOS電路的靜動(dòng)態(tài)功耗特征。CMOS電路的靜動(dòng)態(tài)功耗特征不僅提供了微控制器的兩種低功耗設(shè)計(jì)方法，還為智能系統(tǒng)提供了全面的低功耗設(shè)計(jì)理念，如時(shí)鐘管理、電壓管理、分區(qū)供電管理等，其中許多技術(shù)已涉及到系統(tǒng)的電源管理內(nèi)容。

如果說功耗管理始于單片機(jī)時(shí)代的CMOS處理器，那么，電源管理則緣于嵌入式系統(tǒng)時(shí)代MCU應(yīng)用系統(tǒng)外延急劇擴(kuò)大的需求，如不斷添加的外圍電路、多機(jī)系統(tǒng)、總線系統(tǒng)，甚至局域網(wǎng)系統(tǒng)等帶來的多能源供電、分布式供電、總線供電、電源的投切管理、充變電管理、合理用電等。在智能電子系統(tǒng)中，不論何種電源管理，除滿足系統(tǒng)供、用電要求外，其核心的內(nèi)容仍然是最大限度地降低系統(tǒng)功耗。

3 智能系統(tǒng)的最低功耗追求目標(biāo)

CMOS微控制器為系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)帶來了功耗管理內(nèi)容，實(shí)際電子系統(tǒng)有效功耗的微小時(shí)空占空比為系統(tǒng)低功耗設(shè)計(jì)帶來巨大光明前景。智能系統(tǒng)的工程零功耗設(shè)計(jì)，是我們不斷追求的理想目標(biāo)。

零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)理念源自電子系統(tǒng)微不足道的有效時(shí)空占空比。有效時(shí)空占空比是指滿足系統(tǒng)功能要求所耗費(fèi)的時(shí)間、空間與無(wú)謂耗費(fèi)的時(shí)間、空間之比值。它為智能系統(tǒng)帶來極大的節(jié)能潛力。

MCU面向?qū)ο?，本身具高速運(yùn)行、分時(shí)操作能力。其面對(duì)的對(duì)象是人與各種物理參數(shù)。MCU的高速運(yùn)行與人-機(jī)交互、物-機(jī)交互的慢速響應(yīng)要求，形成了極其驚人的有效運(yùn)行占空比。以一個(gè)溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)為例。用最粗略的估算方法，設(shè)環(huán)境參數(shù)采集周期為1分鐘，實(shí)際A/D采集、處理、存儲(chǔ)時(shí)間可能僅為10毫秒，這時(shí)的有效功耗的時(shí)間占空比為1：6 000；對(duì)于采集后的控制操作，由于伺機(jī)系統(tǒng)不宜頻繁操作，其外圍設(shè)備的有效功耗時(shí)間占空比會(huì)遠(yuǎn)小于1：6 000。另外，采集周期中的采集、處理、存儲(chǔ)的CPU分時(shí)分區(qū)操作，采集、控制、顯示的區(qū)塊分割運(yùn)行，也帶來了有限的有效功耗空間占比。

溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)并非個(gè)案，所有的電子系統(tǒng)，如果加以精算，都有極低的宏觀與微觀的有效時(shí)空占空比。人類本身可能就是一個(gè)理想的極低功耗系統(tǒng)。簡(jiǎn)單的一日三餐就能維持日常工作的能源需求。即使人類，也有進(jìn)一步降低功耗的可能。僅以視覺功耗為例，在正常情況下，走5步路，睜開一次眼睛即可。若走5步路用5秒鐘，睜眼一次用0.5秒，那么人類的視覺功耗便可降低90%。

可以看出，在一個(gè)實(shí)際運(yùn)行的電子系統(tǒng)中，有效運(yùn)行的時(shí)空占空比總是一個(gè)高階小量，于是出現(xiàn)了工程零功耗設(shè)計(jì)理念。功耗管理包括電源管理中的功耗管理目標(biāo)是向工程零功耗系統(tǒng)進(jìn)軍。

4 最小功耗設(shè)計(jì)的理論與原則

有了電子系統(tǒng)有效運(yùn)行時(shí)空占空比的概念后，最小功耗設(shè)計(jì)應(yīng)在維持其生存條件下，遵循“多干多吃、少干少吃、不干不吃、誰(shuí)干誰(shuí)吃”原則。為了維持生存，電子系統(tǒng)中必須有一個(gè)極微功耗的值守電路，以喚醒電路的有效運(yùn)行操作，實(shí)施有效的功耗管理與電源管理。

智能電子系統(tǒng)的功耗管理基礎(chǔ)是CMOS電路的功耗特征與MCU的功耗管理模式。我們可以從CMOS電路的功耗表達(dá)式中找出影響電路功耗的諸多因素，從而制定其功耗管理原則與方法。

CMOS電路具有的功耗由動(dòng)態(tài)功耗與靜態(tài)功耗組成，其表達(dá)式為：

P總=P動(dòng)+P靜=(P開關(guān)電流功耗+P同時(shí)導(dǎo)通功耗)+P漏電流功耗

≈CLVDD2f

其中: CL是負(fù)載電容，VDD是電路的電壓，f是時(shí)鐘頻率。

式中第一部分與第二部分是CMOS電路的動(dòng)態(tài)功耗，它包括開關(guān)電流功耗與P管和N管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)短路電流產(chǎn)生的功耗。第三部分是由擴(kuò)散區(qū)和襯底之間的反向偏置漏電流產(chǎn)生的靜態(tài)功耗。在CMOS電路中，靜態(tài)功耗極其微小，理論上為零，電路功耗主要表現(xiàn)為動(dòng)態(tài)功耗。動(dòng)態(tài)功耗中，開關(guān)(即0、1狀態(tài)轉(zhuǎn)換)電流功耗占有絕大部分。因此，CMOS電路中只考慮開關(guān)電流所產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)功耗。

開關(guān)電流的功耗是這樣產(chǎn)生的：在CMOS電路中，當(dāng)輸入為“0”時(shí)，PMOS導(dǎo)通，電源通過 PMOS向負(fù)載電容CL充電；當(dāng)電路輸入為“1” 時(shí)，負(fù)載電容CL又會(huì)通過NMOS向地放電。開關(guān)電流就是不斷對(duì)負(fù)載電容充放電所產(chǎn)生的電流。

可以看出，在CMOS電路系統(tǒng)中，功耗控制的主要方向是靜動(dòng)態(tài)功耗管理與動(dòng)態(tài)功耗降耗。靜動(dòng)態(tài)功耗管理是將非有效運(yùn)行時(shí)的電路單元置于靜態(tài)工作狀態(tài)，使其功耗近于零。動(dòng)態(tài)功耗降耗則按動(dòng)態(tài)功耗表達(dá)式PSW=CLVDD2f管理，在電路已確定的狀態(tài)下，可用降低工作電壓與系統(tǒng)工作時(shí)鐘方式來減少系統(tǒng)功耗。

目前MCU中給出的空閑方式與掉電方式都屬于將非有效運(yùn)行的電路單元置于靜態(tài)工作狀態(tài)的功耗管理方式。近年來，MCU供電電壓不斷降低，或在內(nèi)部采用不同電壓的多電壓供電，屬于降低供電電壓的功耗管理。C8051F系統(tǒng)MCU中設(shè)置的可編程選擇多時(shí)鐘系統(tǒng)則是根據(jù)CPU運(yùn)行狀態(tài)，實(shí)時(shí)選擇盡可能低的時(shí)鐘頻率來降低系統(tǒng)功耗?？梢钥闯?，多年來MCU不斷進(jìn)化中的一個(gè)方面就是不斷給軟件以更有效的手段降低系統(tǒng)的功耗水平。目前，功耗管理已成為嵌入式操作系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。

5 不斷進(jìn)化中的電源管理

在智能系統(tǒng)最小功耗設(shè)計(jì)的歷史演化中，電源管理總是伴隨左右，其目的是最大限度降低系統(tǒng)的功耗。在單片機(jī)時(shí)代的單機(jī)時(shí)代，就有了電源的供電管理，如不斷降低系統(tǒng)供電電壓與片內(nèi)的多電壓設(shè)置與應(yīng)用。進(jìn)入嵌入式系統(tǒng)的分布式多機(jī)時(shí)代，出現(xiàn)了多機(jī)供電、多機(jī)的實(shí)時(shí)供電管理，實(shí)施按需供電、降壓供電的功耗管理。隨著智能系統(tǒng)向總線系統(tǒng)、局域網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展，各種總線供電方式應(yīng)運(yùn)而生(如USB供電、以太網(wǎng)供電)。這時(shí)系統(tǒng)的功耗管理設(shè)計(jì)必須考慮這種供電方式帶來的新問題。

另外，當(dāng)智能電子系統(tǒng)進(jìn)入到便攜時(shí)代、新能源時(shí)代、物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，電源管理又面臨諸多新問題，如便攜式電子系統(tǒng)電池供電時(shí)的充電管理、電池監(jiān)測(cè)，不斷延長(zhǎng)一次充電后的使用周期的最小功耗設(shè)計(jì)，追求方便充電的無(wú)線充電方式等。隨著新能源時(shí)代到來，電源管理又多出了電源變換中的新內(nèi)容，如太陽(yáng)能電池的監(jiān)測(cè)、蓄變電、變流；電動(dòng)汽車到來，給汽車電子增添了諸多的電源管理新內(nèi)容。物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，各種智能電子的局域網(wǎng)絡(luò)電子興起，必然帶來網(wǎng)內(nèi)電子設(shè)備間的電源管理內(nèi)容。如智能家居中所有用電設(shè)備的統(tǒng)一供電，用電設(shè)備的最佳用電模式選擇，用電設(shè)備電源的網(wǎng)絡(luò)遙控、遙測(cè)、實(shí)時(shí)投切等。所有這些電源管理內(nèi)容中，降低系統(tǒng)功耗無(wú)疑是一項(xiàng)中心內(nèi)容。

結(jié) 語(yǔ)

[1] 何立民.MCU最小功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)綱要[J].電子技術(shù)應(yīng)用,1999(10).

[2] 何立民.嵌入式應(yīng)用中的零功耗系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2002(5).

[3] 何立民.從Cygnal C8051F看8位單片機(jī)發(fā)展之路[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2002(5).

[4] 何立民.單片機(jī)高級(jí)教程[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2000.