滿足多媒體解決器動態需求的電源管理技術

多媒體解決器通常是便攜式電子設備中功耗最高的器件。降低CpU功耗要求的常見辦法是降低時鐘頻率或工作電壓，但是一般而言這樣做會使系統性能降低。另一方面，芯片設計人員還提出了各種片上辦法來降低功耗，并且不會對系統萌生不利影響。本文解析了這些辦法的概念，以及我們要怎么樣運用它們實現節能的目的，同時還討論了幫助解決器芯片獲益的一些外部電源管理器件和電源IC。

有源電源管理

片上電源管理技術主要適用于兩類使用：管理有源系統功耗和管理待機功耗。

有源電源管理分為三個部分：動態電壓與頻率縮放(DVFS)；自適應電壓縮放(AVS)；以及動態電源轉換(DpS)。另一方面，靜態功耗管理包括在需要進行更多解決往日將空閑系統維持在一種低功耗狀態。這種電源管理使用所謂的靜態漏電管理(SLM)，其通常利用從待機到關機的數種低功耗模式。

讓我們來看一下有源模式。利用DVFS，依據使用所要求的不同性能，時鐘頻率和電壓在軟件中得到了降低。例如，一款包括了先進RISC機器(ARM)和數字信號解決器(DSp)的使用解決器，即使ARM組件可以運行在高達600MHz的時鐘頻率下，但卻并非總是需要所有這些計算能力。一般而言，軟件會選擇數個預定義解決器工作性能點(Opp)，其包括確保解決器能夠運行在滿足系統解決要求的最低頻率下的電壓。在對滿足不同使用要求的功耗進行優化的過程中，為了獲得更大的靈活性，人們為解決器中的互連和外設預定義了一個單獨的器件內核Opp集。

與給定的Opp相對應，軟件向外部穩壓器發出控制信號來設置最低電壓。例如，DVFS適用于兩個電壓源VDD1（為DSp和ARM解決器供電）和VDD2（為子系統和外設之間的互連供電），同時這些電源軌提供芯片所需的大部分電量（一般約為全部所需電量的75%到80%）。通過將DSp解決器轉入一個ARM可以高達125MHz時鐘頻率運行的低工作性能點完成對Mp3解碼的同時，還可以有許多剩余電力用于完成其他任務。為了獲得具有理想功耗的這種功能性，我們可以把VDD1降至0.95V，而非保證600MHz運行的1.35V最高電壓。

第二種有源電源管理技術即自適應電壓縮放(AVS)基于芯片制造和器件工作壽命期間出現的各種變化。這種技術是相對于DVFS的，DVFS中所有解決器均具有相同的預編程Opp。正如人們認為的那樣，在大多數現有制造工藝中規定頻率要求的芯片性能符合一種充足定義的電源分配。相比許多“冷”器件，一些器件（即“熱”器件）可以在較低的電壓下達到規定頻率。此時，AVS便可以發揮作用了—解決器測試其自有性能水平，并相應地調節各電壓源。專用片上AVS硬件可實行一個反饋環路，其并不要求解決器介入，從而動態地優化電壓電平來應對解決結果、溫度和硅芯片性能降低中的變化（請參見圖1）。

圖1

圖1顯示了特定解決器的典型性能分布情況。其中，“冷”器件要求0.94V電壓以實現125MHz的運行，而“熱”器件則只需要0.83V就可實現相同頻率的運行。自適應電壓縮放(AVS)使用一個可相應調節電源電壓的反饋環路，這樣單個器件便可以完成特定解決任務所需的頻率運行了。

運行中，軟件為每一個Opp安排AVS硬件，同時控制算法通過一條I2C總線向外部穩壓器發送命令，逐步遞增降低相應穩壓器的輸出，直到該解決器剛好超出目標頻率要求為止。

例如，開發人員可以在一個適合于所有情況的電壓下并以0.95V的125MHz頻率為目標開始進行設計（上面圖1所示的V1）。但是，如果一個使用AVS的“熱”器件被插入該系統，那么該片上反饋機制就會自動地將電壓降至ARM，即0.85V或更低（上面圖1所示的V2）。

前兩種有源電源管理辦法可獲得理想速度下運行器件局部所需的最低工作電壓。相比之下，第三種辦法動態電源轉換(DpS)可確定器件何時完成其當前計算任務，如果當前并不需要，則將器件切換到低功耗狀態（請參見圖2）。例如，在等待DMA傳輸完成時，解決器進入低功耗狀態。喚醒時，解決器可以在數微秒時間內迅速返回到正常狀態。

圖2

圖2動態電源轉換(DpS)將完成任務后的特定器件的相應部分切換至低功耗狀態。

無源電源管理

DpS只能將多媒體片上系統(SoC)的某一部分切換至低功耗狀態，而在許多情況下將整個器件都切換至低功耗狀態是頗具實際意義的（無論是無使用程序運行時自動切換，還是依據用戶要求切換）。為了達到這一目標，我們可以運用了靜態漏電管理(SLM)，其被用于啟動待機或關機模式。一個關鍵的區別在于，在待機模式下該器件可維持內部存儲器和邏輯電路的狀態，而在關機模式下所有系統狀態均被存入外部存儲器中。利用SLM后，喚醒時間比冷啟動要短得多，因為程序已經被加載到外部存儲器，并且用戶不必等待整個操作系統(OS)重新啟動。媒體播放器可能會是運用SLM的一個例子：在沒有解決任務也沒有用戶輸入的狀態下繼續10秒鐘后，媒體播放器便封閉顯示器，并進入待機或關機模式。

例如，具有ARMCortex-A8內核的TIOMAp35x單芯片解決器器件便可實行關機模式—器件可自動喚醒的一種最低功耗模式。除喚醒域外，所有功耗域均處于封閉狀態。這樣，僅在喚醒域中有一定的功耗，并且所消耗電量來自于I/O漏電流。系統時鐘被封閉的情況下，喚醒域以32kHz獨立運行。OMAp35x還會自動將信號發送給外部穩壓器，隨后穩壓器在這種深度睡眠狀態下被封閉。解決器中的存儲器或邏輯電路并未被維持。在進入關機模式之前，系統狀態被存入外部存儲器中；一次喚醒后復位以后，微解決器單元(MpU)跳至用戶定義功能，SDRAM控制器配置從暫時存儲器中得到恢復。

通用技術

將前面所述電源管理技術結合起來使用，我們便能以一種最佳的辦法來解決各種運行情況。當便攜式多媒體播放器的系統活動級別較高時，例如：觀看高辨別率視頻等，則可以在VDD1上設置過度驅動Opp；對于要求中等水平功耗的網頁瀏覽而言，此時可為VDD1和VDD2設置正常的Opp；聽音樂的功耗要求相對較低，可為VDD1和VDD2設置最低的Opp。所有這些例子中，都可以激活AVS來降低“熱”器件和“冷”器件之間的功耗差異。最后，如果用戶保持媒體播放器開啟閑置數小時或幾天時間，則可以使用SLM來自動地將該設備轉入關機模式。

為了更好地理解運用這些特性所帶來的節能效果，請看下列幾種情況。除特別注明外，下列例子均未使用TI的AVS/SmartReflex技術。在這些描述中，IVA是指影像、視頻以及音頻加速器或子系統。

第1種情況：關機模式—0.590mW。這是一種最低功耗模式，TI的OMAp3可從該模式中自動喚醒。在這種模式下，整個器件（喚醒域除外）均處于封閉狀態，喚醒域以低于32kHz的頻率運行。閑置穩壓器被封閉（VDD1=VDD2=0），SDRAM自刷新，并且在喚醒時特定啟動順序會恢復SDRAM控制器和系統狀態。

第2種情況：待機模式—7mW。這種器件狀態下，喚醒域處于運行狀態，而其他所有非喚醒功耗域則處于低功耗維持狀態（VDD1=VDD2=0.9V）。所有邏輯電路和存儲器得以維持。AVS處于封閉狀態。

第3種情況：音頻解碼—22mW（不包括DpLL和IO功耗）。盡管ARM以125MHz運行，但是在其進入睡眠模式后ARM僅準許DMA從多媒體卡讀取輸入數據。IVA對Mp3幀（44.1kHz、128kbps立體聲）進行解碼，并將解碼后的數據發送至位于SDRAM中的緩沖器。一個片上多通道緩存串行端口將數據發送給音頻編解碼器進行回放。至于系統配置，DSp以90MHz運行，并且在無需為解決提供循環(cycle)時轉入低功耗狀態以達到節能的目的。此時，VDD1=0.9V，而VDD2=1V。

第4種情況：音頻/視頻編碼—540mW（不包括DpLL和IO功耗）。在這種情況下，采集音頻并對其進行編碼（48kHz的AACe+，32kbps立體聲），采集視頻并對其進行編碼（20幀/秒的H.264VGA辨別率，2.4Mbsp），并且對二者進行了存儲。與此同時，視頻被顯示出來。這種配置中，ARM以500MHz運行，DSp以360MHz運行，VDD1=1.2V，而VDD2=1.15V。一個片上攝像頭子系統也會對來自外部傳感器的視頻輸入進行采集，多通道緩存串行端口對音頻pCM輸入進行采集，IVA對視頻和音頻進行編碼，編碼后的數據被存儲至多媒體卡中，而顯示子系統則對視頻進行旋轉解決，并將其發送至LCD和TV輸出接口。

實行電源管理

為了實現電源管理的廣泛靈活性，DSp解決器利用一個片上電源復位和時鐘管理器(pRCM)。OMAp3530解決器將其功能塊分為18個電源域，每一個域均有其自己的開關。pRCM可對所有電源域進行開關，但是它們中的許多依然由用戶來控制。另外，每一個電源域都可以被切換到四種狀態的任何一種，詳盡取決于電力是不是施加于邏輯電路和存儲器，以及時鐘是激活還是未激活：激活、未激活、維持或封閉。

這些狀態要求和備用穩壓器配合，而一些基于ARM和DSp的器件一般都需要這種穩壓器。市場上許多穩壓器都可以完成這一工作；當然，這些穩壓器非得要滿足解決器的電壓、電流和電源轉換速率等規范要求，同時還要能夠滿足上電/斷電定序要求。為了實現DVFS和AVS在基于ARM和DSp的解決器上運行，相關的穩壓器還非得要具有I2C可編程性。在關機模式下，電路非得能夠利用自動發出的或由專用GpIO信號發出的I2C命令對VDD1和VDD2穩壓器進行開關。第二種選項的喚醒時間更短一些，因為其沒有I2C延遲。為了減輕設計工程師的負擔，最好將這些獨立功能的所有特性置于單個器件中，這樣可以極大地減少組件數量（請參見圖3）。

圖3

圖3高級穩壓器芯片整合了多個單獨開關穩壓器和低壓降線性穩壓器，可滿足OMAp35x解決器解決各種電壓域的要求。

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