CN1710975A - 减少无线通讯终端功耗的装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及无线通讯终端的电源管理技术领域，特别是一种减少无线通讯终端功耗的方法。当系统工作到达额定频率时，关断开环DVS供电系统，由闭环AVS供电；在额定频率以下工作时，即工作负载不大时则可由DVS和AVS共同供电。应用上述方法的装置，包括系统处理器、电源控制单元、电源管理单元、时钟管理单元、定时器，其中，电源控制单元包括硬件执行控制器、闭环控制器、电源输出管理器、时钟管理器、频率表。它们能解决单独运用DVS技术和AVS技术所存在的上述缺陷，较大地降低了系统的功耗。
Description
【技术领域】
本发明涉及无线通讯终端的电源管理技术领域，特别是一种减少无线通讯终端功耗的装置和方法。
【背景技术】
近年来，无线通讯蓬勃发展，各式的无线移动通讯系统随之建立并提供服务。然而，使用者的移动终端装置一向以轻薄短小为发展趋势。在有限体积和重量的限制下，功耗问题一直是无线通讯装置最大问题之一。以GSM手机而言，一个3.6V/1000mAh的电池在通话消耗300mAh、待机消耗10mAh的假设条件下，可以待机100小时通话200分钟。若以PDA加上WLAN(802.11b)来进行移动网络的服务，在电池电量1250mAh，休眠状态耗电100mAh，使用WLAN上网耗电400mAh的状态下，可以待机10小时使用3小时。若考虑移动终端装置可使用不同无线界面来存取异质网络，无论是单一手持装置配备多种无线存取界面，或者是移动终端有多模无线系统晶片加以设计，要提供多模服务，功耗问题将更加严重。
传统的对便携式移动终端产品降低功耗的设计有许多方法，下列举出其中某些方法的弊端：
1、为了降低功耗，休眠或待机模式通常关掉处理器特定部分之外的所有电路的时钟。因为CMOS的功耗与信号变化频率成正比，关掉处理器的时钟能极大地降低功耗。但系统即使工作在这样的操作模式下，也可能仍然有漏电流损耗。时钟门控方法是基于设计预测性分析的设计方法提供低功耗设计的一种技术，可以有效地降低时钟功耗，但是由于在一个典型的设计中存在着大量的触发器，因此在一个特定设计中寻找合适的门控对象是一个复杂的问题。
2、若要通过对微处理器以及微处理器中指令集的仿真而进行测量每条指令功耗，从而优化指令集来降低系统消耗，则该方法的缺点是必须知道处理器的详细情况、并且通过这种方法估计出的功耗与实际值的误差为1％-10％。
3、为了尽量延长电池的连续工作时间，几乎所有的处理器都使用了低核心电压和省电休眠工作模式，使CPU在工作量不大的情况下只消耗少量的电能。另一方面，为了提高电池的使用效率，使用大量的DC/DC电源变换器来获得高的效率。为进一步降低功耗，DC/DC转换器通常会工作在脉冲频率调制(PFM)模式或PWM突发模式，这种工作模式常常会产生音频噪声。
4、嵌入式处理器开发者通过使用大量的低功耗闲置模式和睡眠模式来实现低功耗。现在，嵌入式处理器要执行越来越复杂的任务，因而需要更高的性能水平。其结果是，新处理器设计开始采用日益先进的架构技术，如分支预测和推测运算，以达到高性能。然而，这些技术也会显著增大处理器的功耗。
考虑降低功耗必须首先了解一下功耗的组成。
(1)动态功耗
Psw＝aCVdd 2f
动态功耗是由电路中的电容引起的。设C为CMOS电路的电容，电容值为PMOS管从0状态到H状态所需的电压与电量的比值。以一个反相器为例，当该电压为Vdd时，从0到H状态变化(输入端)所需要的能量是CVdd2。其中一半的能量存储在电容之中，另一半的能量扩展在PMOS之中。对于输出端来说，它从H到0过程中，不需要Vdd的充电，但是在NMOS下拉的过程中，会把电容存储的另一半能量消耗掉。如果CMOS在每次时钟变化时都变化一次，则所耗的功率就是CBdd2f，但并不是在每个时钟跳变过程之中，所有的CMOS电容都会进行一次转换(除了时钟缓冲器)，所以最后要再加上一个概率因子a。电路活动因子a代表的是，在平均时间内，一个节点之中，每个时钟周期之内，这个节点所变化的几率。最终得到的功耗表达式为：Psw＝aCVdd2f。
(2)内部短路功耗
CMOS电路中，如果条件Vtn＜Vin＜Vdd-|Vtp|(其中Vtn是NMOS的门限电压，Vtp是PMOS的门限电压)成立，这时在Vdd到地之间的NMOS和PMOS就会同时打开，产生短路电流。在门的输入端上升或者下降的时间比其输出端的上升或者下降时间快的时候，短路电流现象会更为明显。为了减少平均的短路电路，应尽量保持输入和输出在同一个沿上。
一般来说，内部短路电流功耗不会超过动态功耗的10％。而且，如果在一个节点上，Vdd＜Vtn+|Vtp|的时候，短路电流会被消除掉。
(3)静态漏电功耗
静态漏电掉的是二极管在反向加电时，晶体管内出现的漏电现象。在MOS管中，主要指的是从衬底的注入效应和亚门限效应。这些与工艺有关，而且漏电所造成的功耗很小，不是考虑的重点。
表1CMOS集成电路中主要的耗电类型
| 类型 公式 比率动态功耗(switching power) Psw＝aCVdd2f 70％～90％内部短路功耗(internal short-circuit Pint＝IintVdd 10％～30％power)静态漏电功耗(static leakage power) Pleak＝IleakVdd ＜1％总功耗(total power) Ptotal＝Psw+Pint+Pleak 100％ |
通过设计工艺技术的改善，Pint和Pleak能被减小到可以忽略的程度，因而Psw也就成为功耗的主要因素。后面所做的功耗优化大部分是围绕这一个公式来进行的。因此改善公式Psw＝aCVdd2f中每一个分量有利于减消整个系统的功耗。同时由此公式可见，电压Vdd对动态功率的贡献是最大的。
TI的动态电压调整(DVS)技术和NS的PowerWise闭环自适应电压调节(AVS)技术是通过调节电压来降低系统的动态功耗的二种方法。
请参阅图1，NS的PowerWise闭环自适应电压调节(AVS)技术使便携设备动态地调整性能和功耗，可以将电池使用时间延长25％到400％。AVS通过一个反馈机制，动态地将电压调节到特定操作所需的最低水平，在高性能模式中采用额定电压，而低性能模式中则降低电压，实现功耗的降低。
再请参阅图2，TI的动态电压调整(DVS)技术将处理器与电源转换器连接成开环系统，通过I2C等总线动态地调节其供电电压和频率，以提高功率利用效率。当允许工作在低于最高频率时，频率随电压的下降而降低。在DVS系统中，每种工作频率的供电电压值都是所有芯片工艺和温度变化所需的最差值。当系统在降低的频率工作时，功耗也显著下降，因为功率方程中的F和V2两项均减小。
然而DVS和AVS两种技术都各有其不尽完善之处。
其中，DVS技术最大的缺点是当系统工作在最高频率时，DVS方法对恒定电压没有节能效果。它只有在工作在最高频率以下时，才可以通过提供一对电压/频率对达到减小功耗的目的。
AVS技术的产生很大程度上正是为了弥补DVS技术的这一缺陷，但是它也有一些不足之处。根据其工作原理，需要HPM来监控芯片的性能，然后转由APC来处理它的信息，以此决定是否需要调节电压，这个过程本身是一个耗能过程，而且大量的等待决策时间降低了它的处理效率。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题在于提供一种减少无线通讯终端功耗的装置和方法，解决单独运用DVS技术和AVS技术所存在的上述缺陷，较大地降低了系统的功耗。
为解决上述技术问题，本发明是这样实现的：
一种减少无线通讯终端功耗的方法，其特征在于：当系统工作到达额定频率时，关断开环DVS供电系统，由闭环AVS供电；在额定频率以下工作时，即工作负载不大时则可由DVS和AVS共同供电。
所述闭环AVS检测来自ASIC的电压余量，并调整电压，使得在所有运行频率上都有最低的运行功率。
在获取系统工作的最适电压时，所述闭环AVS系统将这一点压制传输到开环DVS系统，并直接调令DVS系统也使用该最适电压。
所述开环DVS系统中，每一确定的电压/频率对集合都是以硬编码的方式写到系统中。
所述系统中定制的软件驱动可由一专门的接口将闭环AVS系统所测定的电压传入，在改变时钟频率前，通过定时器来检查稳定电压状态(VDD_OK)。
一种应用上述方法的装置，包括系统处理器、电源控制单元、电源管理单元、时钟管理单元、定时器，其中，电源控制单元包括硬件执行控制器、闭环控制器、电源输出管理器、时钟管理器、频率表。
该电源控制单元中的硬件执行控制器来监控系统处理器的时序性能，并提供可变电压系统控制环路的闭环机制。
该电源控制单元处理来自硬件执行控制器的信息，决定是否需要调节电压，电压调节指令通过电源输出管理器送给电源管理单元。
【附图说明】
图1是闭环AVS装置结构框图。
图中：
1-系统处理器(System Processor)；
2-电源控制单元(Advanced Power Controller，简称：APC)；
21-硬件执行控制器(Hardware Performance Monitor，简称：HPM)；
22-闭环控制器(Control Loop Processing)；
23-电源输出管理器(PWI Master)；
24-时钟管理器(Clock Management)；
25-频率表(Frequency Table)；
3-电源管理单元(Power Management Unit，简称：PMU)。
图2是开环DVS装置结构框图。
4-系统处理器(System Processor)；
5-定时器(VDD_OK Timer)；
6-时钟管理单元(Clock Management Unit)；
7-伴随电源补给单元(Companion Power Supply Regulator)。
图3是本发明装置的结构框图。
10-系统处理器(System Processor)；
20-电源控制单元(Advanced Power Controller，简称：APC)；
201-硬件执行控制器(Hardware Performance Monitor，简称：HPM)；
202-闭环控制器(Control Loop Processing)；
203-电源输出管理器(PWI Master)；
204-时钟管理器(Clock Management)；
205-频率表(Frequency Table)；
30-电源管理单元(Power Management Unit，简称：PMU)；
40-时钟管理单元(Clock Management Unit)；
50-定时器(VDD_OK Timer)。
【具体实施方式】
因此如果能在设计中使用DVS或AVS可以使固定电压系统获得显著的节能效果。当频率可调节系统的工作频率低于最大设计频率时，DVS可提供节电节能功能。AVS则在固定频率系统和可变/可调节频率系统中发挥节电节能作用。
当系统在可调节频率下工作时，DVS和AVS共同达成降低固定电压系统功耗的目标。AVS在所有工作频率时都能提供降低功耗的额外好处。因此如果将DVS和AVS两种技术结合使用将是一个非常有效的节能手段。
一种减少无线通讯终端功耗的方法，主要是利用DVS和AVS技术相互结合来降低无线通讯终端功耗。当系统工作到达额定频率时，关断开环DVS供电系统，由闭环AVS供电；在额定频率以下工作时，即工作负载不大时则可由DVS和AVS共同供电。
根据如上方法，本发明提供一种减少无线通讯终端功耗的装置，如图3所示：它包括系统处理器10、电源控制单元20、电源管理单元30、时钟管理单元40、定时器50，其中，电源控制单元20包括硬件执行控制器201、闭环控制器202、电源输出管理器203、时钟管理器204、频率表205。
由嵌入在闭环AVS系统电压调节域中的硬件执行控制器201来监控系统处理器10的时序性能，并提供可变电压系统控制环路的闭环机制。由于硬件执行控制器201与其监控的计算系统位于相同的芯片上，因而可以提供芯片工艺补偿以及温度补偿。电源管理单元30处理来自硬件执行控制器201的信息，决定是否需要调节电压。电压调节指令通过电源输出管理器203送给电源管理单元30。
由于采用低速时序的芯片工艺，ASIC设计可以在最高温度下工作。典型的工作温度和典型的芯片性能会有电压余量(headroom)。AVS系统会检测这一余量，并调整电压，使得在所有运行频率上都有最低的运行功率。
获取此时芯片的最适合电压时，AVS系统在将这一点压制传输到DVS系统，直接调令DVS系统也使用这一电压。在DVS系统中，每一确定的电压/频率对集合都是以硬编码的方式写到芯片中的。芯片上定制的软件驱动可由一专门的接口将AVS系统测定的电压传入，在改变时钟频率前，必须通过一个定时器或其它方法来检查稳定电压状态(VDD_OK)。
这种结合既利用了AVS系统简化了电压调整的方法；不再需要频率/电压表，但能更准确地监控内核内外的工艺与温度变化情况，并且通过标准接口与外部的能量管理单元(FMU)进行通信的优点又可利用DVS开环采取电压、频率对形式供电，则在电压减小的同时，频率也大幅减小，进而使功耗减小幅度增大的特点。
下面提供一个分别使用固定电压、DVS技术和AVS技术的功率比较表：
测量条件为0.13微米典型芯片，室温。
表2功率比较表
| 频率(MHz) | 电源消耗量(标准化) | ||
| Fixed Voltage | DVS | AVS | |
| 96 | 100.0 | 100.0 | 51.2 |
| 72 | 72.4 | 72.4 | 28.6 |
| 48 | 50.5 | 26.4 | 15.8 |
| 24 | 24.3 | 12.7 | 8.5 |
| 12 | 11.7 | 6.6 | 4.8 |
| 6 | 6.9 | 4.6 | 2.8 |
从该比较表可以看出，当频率在48MHz以下时，使用DVS技术比使用固定电压所用功耗有一个比较大的降低，但是总体性能上来说使用AVS技术的功耗降低最多。
但同时，经测量使用AVS技术的时钟延时大于DVS技术，见下比较表：
测量条件为0.13微米典型芯片，室温。
表3时延比较表
| 频率(MHz) | 延迟(s) | |
| DVS | AVS | |
| 96 | 0.0001 | 0.0004 |
| 72 | 0.0023 | 0.0028 |
| 48 | 0.0035 | 0.0040 |
| 24 | 0.0040 | 0.0048 |
| 12 | 0.0052 | 0.0059 |
| 6 | 0.0063 | 0.0070 |
经实验，比较三种技术运用后的功耗后发现，在DVS的最高频率64MHz以上，完全使用AVS技术；而在该频率以下，使用AVS结合DVS技术。这样虽然在每个固定频率范围下，AVS的功耗要比两者结合的功耗小，但是其总的平均功耗则要大于两者结合功耗，因此证明将两种技术结合，可以很好的达到减耗目的。
表4DVS、AVS及DVS/AVS结合三种技术功率比较表
| 频率(MHz) | 电源消耗量(标准化) | ||
| DVS | AVS | AVS结合DVS | |
| 96 | 100.00 | 51.20 | 51.2 |
| 72 | 72.40 | 28.62 | 28.6 |
| 64 | 32.58 | 18.55 | 18.61 |
| 32 | 18.50 | 10.20 | 10.25 |
| 16 | 7.25 | 6.66 | 6.67 |
| 8 | 5.00 | 4.04 | 4.02 |
| 平均电源消耗量 | 61.25 | 29.94 | 29.81 |
综上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。
Claims (8)
1、一种减少无线通讯终端功耗的方法，其特征在于：当系统工作到达额定频率时，关断开环DVS供电系统，由闭环AVS供电；在额定频率以下工作时，即工作负载不大时则可由DVS和AVS共同供电。
2、根据权利要求1所述的减少无线通讯终端功耗的方法，其特征在于：所述闭环AVS检测来自ASIC的电压余量，并调整电压，使得在所有运行频率上都有最低的运行功率。
3、根据权利要求1所述的减少无线通讯终端功耗的方法，其特征在于：在获取系统工作的最适电压时，所述闭环AVS系统将这一点压制传输到开环DVS系统，并直接调令DVS系统也使用该最适电压。
4、根据权利要求3所述的减少无线通讯终端功耗的方法，其特征在于：在所述开环DVS系统中，每一确定的电压/频率对集合都是以硬编码的方式写到系统中。
5、根据权利要求4所述的减少无线通讯终端功耗的方法，其特征在于：所述系统中定制的软件驱动可由一专门的接口将闭环AVS系统所测定的电压传入，在改变时钟频率前，通过定时器来检查稳定电压状态(VDD_OK)。
6、一种应用如权利要求1所述方法的装置，包括系统处理器(10)、电源控制单元(20)、电源管理单元(30)、时钟管理单元(40)、定时器(50)，其中，电源控制单元(20)包括硬件执行控制器(201)、闭环控制器(202)、电源输出管理器(203)、时钟管理器(204)、频率表(205)。
7、根据权利要求6所述的减少无线通讯终端功耗的装置，其特征在于：该电源控制单元(20)中的硬件执行控制器(201)来监控系统处理器(10)的时序性能，并提供可变电压系统控制环路的闭环机制。
8、根据权利要求7所述的减少无线通讯终端功耗的装置，其特征在于：该电源控制单元(20)处理来自硬件执行控制器(201)的信息，决定是否需要调节电压，电压调节指令通过电源输出管理器(203)送给电源管理单元(30)。
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| CN104903816A (zh) * | 2013-01-08 | 2015-09-09 | 高通股份有限公司 | 用于执行自适应电压缩放(avs)的方法和配置成执行avs的集成电路 |
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