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电源管理变得比以往任何时候更加重要，因为消费者需要在他们的下一代便携式设备中加入更多的功能。但问题在于 , 下一代便携式设备需要增强的彩色显示屏、更快的处理器（在更低的电压下运行）、更快的无线调制解调器和更多的板载应用处理器。这种复杂性导致了功耗大幅增加以及更加复杂的电源管理问题。因此，如果没有新的电源管理方法，下一代手机的电池使用寿命可能会减少到消费者预期的三分之一以下。
那么，现在的一个大问题是如何对这些新应用进行供电，同时使大小、成本和电池使用寿命达到消费者的期望。
如今，电源管理策略仅仅集中在解决功率传输问题以提升效率。电源管理 IC 生产商一直在努力增加其产品的转换效率，但是，即使生产商可以将效率从 95％ 增加到 97％，这仍不足以对新应用提供足够电力。
同时，电池生产商现在采用相对成熟的技术：镍氢电池、锂离子电池和镍镉电池的能量密度预计在近期不会有较大的增长。此外，诸如燃料电池之类的新型技术还需几年才能投入商用。
处理器的非协作性设计技术和结构选择都不会起到很大作用。例如，在数字领域，ARM 一直在使用一系列的低功率设计技术来使其处理器芯片所用的功率最小化。但是，这些技术受到传统系统设计的固定电压和固定频率的限制。要达到更高级别的 CPU 能量效率，需要超越这些约束，对功率和性能进行自适应控制。
因此，便携式设备生产商有两种选择。他们可以选择更大的电池，也可以在他们的设计中不再仅仅关注各个局部，而去寻找使整个系统电源管理效率实现巨大突破的方式。
Radio收音机
Baseband Processor基带处理器
Battery System电池系统
APPS Processor APPS 处理器
Power Management (Integrated or Discrete)电源管理（集成或分立）
User Interface/User Experience 用户接口/用户体验
Display & Lighting Technology显示/照明技术
图 1：两个新接口标准向设计人员提供了大幅增加便携式设计能效的技术：将电源管理 IC 连接至数字 SoC 的 PowerWise 接口，将数字 SoC 连接至显示屏的移动像素链路。
这种进退两难的局面需要从根本上重新思考电源管理,以及开发新系统的整体方案。这意味着电源管理的定义将超出功率传输的概念，扩展至包括电源分配和功率损耗。这同时也意味着将功率传输系统与功率损耗系统相关联，以便这两个系统可以相互沟通，从而起到大幅节电的目的。
为实现有效的节能，生产商将需采用一种新型工业模式。
从传统角度来看，电源管理 IC 生产商和处理器生产商各自开发他们的技术。将来，他们将需要部署一种系统级的解决方案，智能化地管理嵌入式系统内的性能和功耗，并且他们将需要采用开放式的标准，以便允许他们将他们的技术关联在一起。目前提议使用两种新型标准：一种是 PowerWise 接口，可以减少数字 SoC 设备的功耗，另一种是移动像素链路，可以减少便携式应用中显示屏和相机的数字接口的功耗和噪声级。
处理器系统电源管理
PowerWise 技术是一种降低数字 SoC 器件功耗的系统级方法。对于手机，PowerWise 可以在多个阶段上将电池的使用寿命增加 25% 到 400％。从概念上说，PowerWise 可以创建闭环系统，其中功率损耗和功率传输系统能够紧密协作，从而使对电源的需求最小化，同时提供最高的能效。
PLL+ REFERENCE OSC PLL+参考振荡器
EMBEDDED MEMORY嵌入式存储器
HOUSEKEEPING FUNCTIONS, RTC, WAKEUP CONTROL保洁功能、RTC、唤醒控制…
PROCESSOR CORE处理器核心
OTHER INTEGRATED FUNCTIONS其他集成功能
POWER CONTROLLER电源控制器
PWI MASTER PWI 主设备
Other Optional Regulators 其他可选稳压器
Regulator 2 (Optional) 稳压器 2（可选）
Regulator 3 (Optional) 稳压器 3（可选）
Regulator 4 (Optional) 稳压器 4（可选）
Core Voltage Regulator核心电压稳压器
PWI SLAVE PWI 从设备
I/O Interface I/O 接口
State Control 状态控制
Optional Registers 可选寄存器
Other PMIC Integrated Functions 其他PMIC集成功能
图 2：PowerWise 接口（SPWI 和 SCLK）将 SoC 的电源控制器与电源管理 IC 相联，形成闭环系统，以便高速实时控制 SoC 多个数字部分的电压。
这项技术的核心是 PowerWise 接口 (PWI)，它允许部署高级电源管理技术。SoC 器件中嵌入的电源控制器连接至 PWI 的一端。电源控制器根据处理器的应用软件工作负荷和环境状况确定 SoC 的功率要求。外置电源管理集成电路连接至 PWI 的另一端。电源管理 IC 向 SoC 上的数字处理器提供所需的供电电压和阈值电压。
PowerWise 技术将分阶段开发。第一阶段是开发供电 ARM单芯片系统器件。美国国家半导体公司和 ARM 已经共同部署整体的系统级解决方案。这种解决方案将美国国家半导体公司的 PowerWise 技术与 ARM 的智能能量管理器完美地结合在一起。
目前，美国国家半导体公司和 ARM 致力于将 PowerWise 应用在手机设计中。对于首轮产品设计，手机的处理器效率将增加 25％ 到 75％。
减少功耗的方式
可以通过多种方式减少处理器的功耗。传统的电源管理方法将处理器置于闲置或休眠模式。但是，这只有在不执行任何操作时才会优化功耗。第二种方法是降低处理器的工作频率。这种方法可以减少平均功耗，但并不能减少系统使用的总能量。
另一种方法,动态电压调节 (DVS) 可以根据处理器的工作频率的减少,降低馈送给处理器的电压。实际操作中，CPU 指示电源管理电路根据 CPU 频率/电压对应表中找到的值提供电压。这些对应表值是 CPU 特性所确定的最坏情况值。也就是说，电压电平必须足够高，以便补偿 CPU 的所有操作变化和工作温度状况。对应值在系统操作过程中通过专用接口以开环的方式传送给电源管理电路。
PowerWise 技术------SoC 器件上的电源控制器、PowerWise 接口和 符合PowerWise 标准的电源管理器------是一个闭环系统。这就意味着可以使用自适应电压调节 (AVS) 技术来控制提供给处理器的电压。当处理器的频率发生变化时，电源控制器检测到变化并向电源管理器发送命令更改供电电压。
电源控制器还实时监控处理器的温度变化，检测到温度变化后，可以命令电源管理器更改供电电压。此外，由于电源控制器嵌入在 SoC 上，它可以检测生产过程中的变化，同时根据这些变化补偿供电电压。换句话说，由于这是一种自动补偿，自适应电压调节只需提供给定操作模式所需的最低电压。
为了测试 PowerWise 技术所实现的潜在节能效果，将基于 ARM7 处理器的数字视频处理器用作测试平台。其SoC基于 180-nm 的制造工艺，并且在其集成的硬件性能监视器中包括了 PowerWise 电源控制器。
Power Consumption Comparison功耗比较
Measured, 180nm, Typical Silicon, Room Temp 测量，180nm，典型硅，室温
Power (normalized) 功率（正常化）
Frequency (MHz) 频率 (MHz)
Fixed Voltage固定电压
图 3：自适应电压调节技术可以为基于 ARM7 的视频处理器提供 45% 到 81% 的节能效果，具体取决于处理器的工作频率。
作为测试基准，处理器以 1.8V 的固定供电电压进行操作，同时处理器的工作频率在6 到 80 MHz 之间变化。当处理器在80 MHz 的频率操作时， AVS 可以比1.8V 的固定电压供电时节省45% 的功耗。随着工作频率下降，在 6 MHz 频率时节省的功耗增加到超过 80%。
在基于 130-nm 工艺和设计工作频率为 96 MHz 的模拟处理器上，DVS 和 AVS 预期节能与处理器以 1.2V 固定电压操作的功耗相比:
图 4：AVS 是一种闭环系统，可以在所有工作频率下实现节能，即使处理器的设计工作频率为 96 MHz。
Power Consumption Comparison功耗比较
Measured, 130nm, Typical Silicon, Room Temp 测量，130nm，典型硅，室温
Power (normalized) 功率（正常化）
Frequency (MHz) 频率 (MHz)
Fixed Voltage固定电压
DVS (2-step) DVS（2 步）
处理器以 DVS 模式操作，处理器使用两步频率/电压查阅表：在频率超过 70 MHz 时为 1.2V，在频率低于 70 MHz 时为 0.9V。因此，系统只有在处理器的工作频率下降到 70 MHz 以下时才能产生节能。另一方面，以 AVS 模式操作的处理器可以在处理器的设计工作频率96 MHz 时产生大约 50% 的功率节省，主要是因为 AVS 自动补偿操作变化和温度变化，并且可以将处理器的供电电压限定至该特定应用中特定处理器所需的最低电压。
归根结底，消费者关注的是他们手机所用的电池可以维持多长时间不充电。换句话说，手机能量可以消耗多长时间。
图 5：归根结底，消费者关心的是累积能量节省，即，电池可以维持的多长时间。在模拟处理器应用中，AVS 的累积能量节省达到 64%，超过DVS 的能量节省高达 43%。
Energy Consumption for AVS/DVS / Fixed Vdd AVS/DVS/固定 Vdd 的能耗
Heavy Load Conditions- (Fixed Vdd/Scaled Vdd) 重载状况－（固定 Vdd/可变 Vdd）
12/12 % Max Compute, 32/64% Schedule Task, 56/28% Idle 12/12 %最大计算，32/64%计划任务，56/28%闲置
Performance Level 性能级别
Cumulative Energy累积能量
Energy Fixed Vdd 能量固定 Vdd
Energy DVS 能量 DVS
Energy AVS 能量 AVS
Cumm Energy Fixed Vdd 累积能量固定 Vdd
Cumm Energy DVS 累积能量 DVS
Cumm Energy AVS 累积能量 AVS
图 5 显示了处理器在不同负载情况下的累积能量耗用，包括最小计算状况和空闲状况。红线表示供电电压固定在 1.2V 时最坏情况下的能耗。黄线表示使用两步 DVS 方法时的能耗，蓝线表示使用 PowerWise AVS 技术时的能耗。
在运行结束时，与固定电压操作模式下的能耗相比，DVS 能量节省达到 36%。AVS 能量节省达到 64%。
PowerWise 接口是由美国国家半导体公司和 ARM 联合开发的一种开放式标准。
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