可攜式電子設備中耗電量最大的元件為多媒體處理器。一般而言，最常用來降低中央處理器(CPU)功耗需求的方法是降低時脈頻率或操作電壓，但通常也會使系統效能降低。因此，晶片設計人員提出各種可直接在晶片上降低功耗，並且不對系統產生任何不利影響的方法。本文將解說這些技術的概念及其達到節能效果的運用方式，並探討可協助處理器晶片發揮完整功效的外部電源管理裝置及電源IC。
主動式電源管理讓部分裝置得以順利運作
晶片上電源管理技術適用於管理主動式系統功耗及管理待機功耗兩種主要應用類型。而主動式電源管理分為三個部分，分別為動態電壓和頻率縮放(DVFS)、適應性電壓縮放(AVS)及動態功率切換(DPS)。另一方面，靜態功耗管理會在進行更多處理程序之前先將閒置系統保持於低功耗狀態。這種電源管理通常是利用從待機到關機間的多種低功耗模式所進行的靜態漏電流管理(SLM)。
主動式模式利用DVFS，可根據應用狀況所需的效能，在軟體中將時脈頻率及電壓降低。以內含安謀國際(ARM)進階精簡指令集運算(RISC)機器及數位訊號處理器(DSP)的應用處理器為例，雖然ARM元件能以高達600MHz的時脈頻率進行運作，但並非總是需要所有運算能力。一般而言，軟體會選取數個預先定義的處理器運作效能點(OPP)，包括確保處理器能以達到系統處理需求的最低頻率，進行運作所需的電壓。為了能將功耗最佳化以適用於不同應用時增加更多彈性，可預先定義一組個別的裝置核心OPP，以便用於處理器的互連及周邊裝置。
為符合特定的OPP，軟體會將控制訊號傳送至外部穩壓器，以設定最低電壓。如DVFS適用於兩個電壓電源VDD1(針對數位訊號處理器及ARM處理器供電)和VDD2 (針對子系統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%。將數位訊號處理器轉換為能讓ARM處理器以高達125MHz時脈頻率運作的低運作效能點，即可將MP3解碼，並能同時處理其他工作。只要將VDD1降至0.95伏特，而非可達到600 MHz運作的1.35伏特最高電壓，便能以最佳功耗發揮以上功能。
第二種主動式電源管理技術為適應性電壓縮放(AVS)，可根據晶片製造和裝置運作期間出現的各種變化進行調整。在DVFS中，所有處理器均具有預先設定的相同OPP，而此種技術和大多數現有製程相同，特定頻率需求的晶片效能會遵循經過充分定義的電源分配方式。
相較於許多「冷」裝置，有些「熱」裝置能以較低的電壓達到特定的頻率，因AVS能使處理器感測自身的效能程度，並據以調整電壓電源。專用的晶片上AVS硬體不需處理器介入，便可執行回饋迴路，並能動態最佳化電壓位準以因應處理結果、溫度和矽晶片效能低落時出現的變化(圖1)。
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| 圖1 使用CPLD進行供電排序 |
在運作中，軟體會為各個OPP設定AVS硬體，而控制演算法會通過I2C匯流排將指令傳送至外部穩壓器，以逐步遞減適當穩壓器的輸出，直到處理器剛好超出目標頻率需求為止。如開發人員能先以所有狀況都適合的電壓開始進行設計，然後以0.95伏特的125MHz頻率為目標進行設計(略高於圖1所示的V1)。然而，若將使用AVS的「熱」裝置插入系統中，則晶片上的回饋機制便會自動將電壓降至安謀國際所需的0.85伏特或更低(略高於圖1所示的V2)。這兩種主動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行運作。相較之下，第三種的動態電源切換(DPS)方法可確定裝置何時完成目前的運算工作，若此時不需要，則會將裝置切換至低功耗狀態(圖2)。如在等候DMA傳輸完成時，處理器進入低功耗狀態。在喚醒時，處理器會在數微秒的時間內迅速回復正常狀態。
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| 圖2 動態電源切換使已完成工作的特定裝置部分進入低功耗狀況。 |
SLM協助裝置全面切換至低功耗狀態
DPS只能將部分的多媒體系統單晶片(SoC)切換至低功耗狀態，但在某些情形下，必須將整個裝置都切換至低功耗狀態，不論是沒有任何應用程式運作時自動切換，或是根據使用者需求進行切換。在此種情形下，便可在啟動待機模式或裝置關閉模式時運用靜態漏電流管理(SLM)。其中主要的區別為，在待機模式中，裝置可保留內部記憶體和邏輯電路的狀態，而在裝置關閉模式中，所有的系統狀態都會儲存於外部記憶體中。透過SLM，裝置的喚醒時間遠少於冷啟動，因為程式已載入於外部記憶體中，使用者不須等候整個作業系統(OS)重新啟動。在使用媒體播放器時，若連續10秒鐘未處理任何工作且無任何使用者輸入，媒體播放器便會關閉顯示器，並進入待機模式或裝置關閉模式，變為運用SLM的其中一例。
以採用安謀國際Cortex-A8核心的德州儀器(TI)OMAP35x單晶片處理器為例，該裝置會進入裝置關閉模式，也就是裝置可自動喚醒的最低功耗模式。除被喚醒區域外，所有其他功耗區域都會關閉。因此，只有被喚醒區域會耗用來自輸入/輸出(I/O) 漏電流的電源。此時系統時脈會關閉，而被喚醒區域會以32kHz的時脈單獨運作。OMAP35x也會自動將訊號傳送至外部穩壓器，在此深度休眠狀態中即可將穩壓器關閉。處理器未保留任何記憶體或邏輯電路，系統狀態會在進入裝置關閉模式前儲存於外部記憶體中。一旦經過喚醒重設後，微處理器(MPU)會跳至使用者定義功能，雙通道同步動態隨機存取記憶體(SDRAM)控制器配置便會從暫存記憶體中回復。
通用技術打造節能效果
將上述的電源管理技術結合運用，便能以最佳方式處理各種運作狀況。當可攜式多媒體播放器的系統活動量相當高時，如在觀看高解析度視訊狀況下，便能於VDD1上設定增速OPP。對於需要中等程度功耗的網頁瀏覽而言，可將VDD1及VDD2設定正常的OPP。對於功耗需求相對較低的音樂聆聽而言，則可將VDD1和VDD2設定最低的OPP。在這些例子中，都能啟動AVS降低「熱」裝置和「冷」裝置兩者間的功耗差異。最後，若使用者將媒體播放器持續開啟，經過幾小時或幾天都未使用，便能使用SLM自動將裝置切換為裝置關閉模式。而為了能更加了解運用這些功能可達到的節能效果(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)，可思考下列幾種狀況。
| 此為德州儀器OMAP 3可自動喚醒的最低功耗模式。在此模式中，除被喚醒區域之外，整個裝置都已關閉，而被喚醒區域是以低於32kHz的頻率進行運作。未使用的穩壓器會關閉(VDD1=VDD2=0伏特)，SDRAM會自行重新整理，而特殊啟動順序會在喚醒時回復SDRAM控制器及系統狀態。 |
| ‧ | 待機模式–7毫瓦 |
| 在此裝置狀態中，被喚醒區域持續運作，而其他所有非喚醒功耗區域則處於低功耗保留狀態(VDD1=VDD2=0.9伏特)。所有邏輯電路及記憶體都會予以保留。AVS會關閉。 |
| ARM處理器以125MHz進行運作，但在進入休眠模式後，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(IVA)將MP3訊框(44.1kHz、128kbit/s立體聲)解碼，並將經解碼的資料傳送至SDRAM中的緩衝器。晶片上多通道緩衝序列埠會將資料傳送至音訊編解碼器以供播放。而針對系統配置，DSP會以90MHz進行運作，並在毋須進行任何處理週期中切換為低功耗狀態，以節省電源。此時，VDD1=0.9伏特，而VDD2=1伏特。 |
| 此時會擷取音訊進行編碼(48kHz且32kbit/s立體聲的AACe+)，並同時擷取視訊進行編碼(20訊框/秒且2.4Mbit/s的H.264 VGA解析度)，然後將兩者加以儲存。在此同時，會一併顯示視訊。在此配置中，ARM處理器會以500MHz進行運作，DSP會以360MHz進行運作，而VDD1=1.2伏特，且VDD2=1.15伏特。晶片上的攝影機子系統也會擷取來自外部感應器的視訊輸入，而多通道緩衝序列埠會擷取音訊PCM輸入，IVA則會將視訊及音訊編碼，經編碼的資料會儲存於多媒體介面卡中，然後顯示子系統則將視訊加以調整，並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/時脈管理器可達電源管理彈性
為達到有效的電源管理彈性，DSP處理器採用晶片上電源重設與時脈管理器(PRCM)。OMAP3530處理器將自身的功能區塊分為十八個功耗區域，各個功耗區域都有各自的開關。PRCM可開關所有的功耗區域，但使用者也可控制其中多個功耗區域。此外，根據邏輯電路與記憶體是否通電及時脈是否運作中等條件，各個功耗區域都會進入下列運作中、非運作中、保留或關閉四種狀態中的其中一種。
對於ARM元件裝置與DSP元件而言，這些狀態通常需要輔助穩壓器進行調節。市面上許多的穩壓器都可達到此一功能，而這些穩壓器也都須符合處理器的電壓、電流、功率迴轉率規格及功率升降定序等需求。為能在ARM處理器及DSP上執行DVFS與AVS操作，相關穩壓器必須支援I2C程式設計功能。在裝置關閉模式中，電路須能使用自動發出的I2C指令或透過專用的通用型之輸入輸出(GPIO)訊號開啟或關閉VDD1與VDD2穩壓器。GPIO訊號無任何I2C延遲，因此可達到較快的喚醒時間。為減輕設計工程師的負擔，上述各功用的所有功能最好都整合於單一裝置中，以大幅減少零件數量(圖3)。
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| :圖3 進階穩壓器晶片整合多個個別切換穩壓器與低壓降線性穩壓器，可適用於處理OMAP35x處理器的電壓區域需求。 |
(本文作者任職於德州儀器)
