Методы снижения потребления энергии современными портативными устройствами

В наши дни сфера высоко интегрированных приложений для портативных компьютеров, смартфонов и сотовых телефонов претерпевает бурное развитие. Число разрабатываемых возможностей удваивается с каждым годом, идя в ногу с нетерпеливыми потребителями инновационных предложений. В таких условиях энергопотребление становится одним из ограничивающих факторов, сдерживающих дальнейшее развитие электронной техники.

Введение

Современные дополнительные новшества, такие как подсветка цветных ЖК-дисплеев, аудио-подсистем, беспроводных коммуникаций требуют все больше и больше энергии, что напрямую сказывается на длительности работы портативных устройств. С появлением высоких требований к качеству передаваемого голоса, работе с данными сетей и аудио- видеосигналами привело к необходимости увеличения ПЗУ иОЗУ, а так же рабочей частоты процессора. Это не могло не отразиться на энергии, потребляемой системой. Данный параметр становится одним из самых критичных при создании портативной техники. Перед разработчиками появляется новая задача — кроме обеспечения устройства всей современной функциональностью сделать его достаточно экономичным с точки зрения потребления энергии, предоставляя возможность как можно дольше оставаться работоспособным. На рис. 1 можно увидеть процесс увеличения числа возможностей различных портативных устройств и соответствующее ей уменьшение времени работы прибора.

Рис. 1. Эволюция портативных устройств

Энергосберегающий режим предшествующего поколения процессоров

Предыдущие поколения процессоров могли быть запрограммированы на три режима работы (burst, sleep и doze). В портативных устройствах система может обработать требуемые пользователям задачи и уйти в режим ожидания до следующего запроса. В течение этого периода только ЖК-дисплей является активным, сам процессор находится в энергосберегающем режиме, то есть работает в малопотребляющем режиме doze. При запуске какого-либо приложения процессор переходит в режим burst, который характеризуется наиболее высокой рабочей частотой и, соответственно, энергопотреблением. Для снижения энергопотребления необходимо как уменьшение частоты, так и уменьшение времени работы устройства в этом режиме. В случае достижения аккумуляторной батареей критического уровня запаса энергии процессор запрограммирован на переход в режим sleep, когда все его блоки неактивны, кроме часов реального времени (RTC). Для поддержания правильной работы RTC необходим ток от батареи менее 1 мА. Наличие такого программно реализуемого способа сохранения энергии на раннем этапе развития портативных устройств было достаточно. С расширением их функциональности и постоянным повышением объема информации возросла необходимость еще больше снизить потребление энергии для использования всего потенциала портативного устройства.

Дальнейшие пути уменьшения энергопотребления

На сегодняшний день адекватную оценку энергосбережения системы принято измерять в милливаттах на 1 мегагерц. Для конечного пользователя чем ниже значение этой характеристики, тем лучше, то есть больше тактовая частота или меньше энергопотребление.

Для современных ядер ARM-процессоров Xscale данный параметр находится в диапазоне от 0,08 мВт/МГц до 0,42 мВт/МГц (табл. 1). Для уменьшения потребления ЖК-дисплеев разработчики стали внедрять внутреннюю «буферную» память изображения и независимый контроллер, освобождающий процессор от необходимости постоянно «освежать» изображение на дисплее. Подобные решения ведут к уменьшению загруженности центрального процессора, передаче потоковой обработки данных различным периферийным контроллерам, решающим свои задачи за счет аппаратных средств.

Таблица 1. Характеристика ядер ARM Xscale, In

Ярким примером возможностей по энергосбережению, несомненно, являются процессоры PXA27x Xscale (архитектура ARM) производства Intel. Данная серия процессоров изготовлена по технологии 0,13 мкм, каждое изделие включает в себя до 10 энергонезависимых областей. Каждая из этих областей может быть отключена в целях энергосбережения, если в данный момент времени она не задействована. Процессор PXA27x использует 6 рабочих состояний (normal, idle, deep idle, standby, sleep, и deep sleep). Устройство имеет возможность вести контроль тока и напряжения на внутренних портах ввода-вывода, а также способно «на лету» определять и корректировать напряжение (programmable voltage change management, DVM) и частоту работы (programmable frequency change management, DFM). Для управления частотой необходим интеллектуальный ключ и соответствующее программное обеспечение. Возможности DFM позволяют процессору в зависимости от получаемых сигналов активировать определенные режимы (turbo mode, half-turbo mode и др.), которые являются оптимальными для решаемых задач с точки зрения потребления энергии. Для осуществления возможности изменения питающего напряжения в паре с процессором PXA27x в систему встраивают интегральные микросхемы управления питанием, которые соединены с ним посредством интерфейса I2C. Доступность информации об этом интерфейсе и простота реализации во многом упрощают процесс разработки для инженера.

При необходимости изменить напряжение процессор посылает на микросхему определенную команду. Библиотека составляет 32 команды, разделенные на динамические (процессор находится в активном режиме) и статические (процессор в режиме «ожидания»). Сам модуль управления питанием генерирует требуемые значения напряжений 1,1, 1,3, 1,8, 2,5 и 3,3 В. Примером данного модуля является микросхема LP3970 производства компании National Semiconductor.

Сохранение энергии при помощи источника питания

Потери при работе микропроцессора в основном складываются из суммы потерь на переключениях. Обычно процессор рассеивает мощность, пропорциональную квадрату напряжения ядра процессора:

где С — емкость коммутирующих элементов, VDD — напряжение питания ядра процессора, f — тактовая частота.

Для уменьшения потерь энергии существует два метода. Наиболее совершенным является метод адаптивного отслеживания напряжения (adaptive voltage scaling). Принцип сохранения энергии заключается в наличии так называемого контроллера соотношения напряжения и частоты, который в случае необходимости изменяет частоту работы устройства в зависимости от необходимой в этот момент производительности. Схема адаптивного отслеживания является замкнутой, то есть имеет обратную связь, помогающую более точно регулировать основные параметры, определяющие энергосбережение. За счет более рационального использования ресурсов элемента питания можно сохранить энергию, пропорциональную отношению разницы квадратов питающих напряжений к квадрату напряжения питания ядра процессора:

где E — сохраненная энергия, V_DD1 — напряжение питания ядра процессора с учетом уменьшения загруженности процессора.

Исходя из полученного выражения, можно сделать вывод, что в процессе работы в зависимости от частоты процессора необходимо регулировать напряжение питания, тем самым добиваясь увеличения времени работы устройства.

Второй метод использует схему динамического отслеживания напряжения (dynamic voltage scaling scheme), с помощью которой возможно уменьшение потерь энергии путем регулирования ключевых параметров (табл. 2).

Таблица 2. Ключевые параметры, определяющие энергосбережение

Изменение частоты с напряжением достаточно сложный процесс, — учитывая необходимость его временного согласования. Метод динамического отслеживания относится к так называемым незамкнутым схемам, что является ее недостатком. Отсутствие обратной связи не может гарантировать синхронное изменение напряжения в зависимости от требуемой частоты работы, это приводит к дополнительной потери энергии. Помимо этого динамическая схема не учитывает разброс параметров источника питания. При помощи этого метода возможно сохранение энергии, но назвать его самым эффективным и простым нельзя. На рис. 2 проиллюстрировано сбережение энергии с помощью адаптивного и динамического метода.

Рис. 2. Преимущества адаптивного и динамического режима перед методами с фиксированным значением частоты

Адаптивная (AVS) и динамическая (DVS) схема автоматически производит действия по изменению и согласованию во времени напряжения и частоты. Эти преимущества гарантируют минимальное рассеивание энергии на ядре процессора. На рис. 3 приведен график изменения потребляемой мощности в зависимости от частоты.

Рис. 3. Значение потребляемой мощности при разных частотах

Наличие замкнутого контура дает AVS-методу неоспоримое преимущество:

• петля обратной связи упрощает процесс контроля параметров для регулировки, отпадает необходимости отслеживать частотную таблицу, ее зависимость от напряжения, как в DVS-методе;
• AVS-схема стабилизирует напряжение питания в пределах ±5%.

Для реализации функции динамического отслеживания напряжения микросхема управления питанием нуждается в дополнительной программируемой выходной мощности в диапазоне от 0,85 до 1,55 В. На рис. 4 представлена оригинальная схема управления питания ядра процессора с пошаговым изменением от 50 до 100 мВ. В настоящее время одним из примеров, обладающим перечисленными возможностями, является микросхема National Semiconductor LP3970.

Рис. 4. Схема управления питанием процессора

Рекомендации для выбора типа аккумуляторной батареи

Время функционирования портативных электронных систем сильно зависит от выбора батареи. На сегодняшний день наиболее популярными являются батареи на основе лития (Li-Ion), которые в разряженном состоянии имеют напряжение 3,6 В, а в заряженном — 4,2 В. Наряду с ними существует еще несколько электрохимических систем аккумуляторов, применяемых для питания различных портативных устройств — это литийполимер (Li-Pol), никель-металлгидрид (NiMH), литий-диоксид марганца (Li-MnO2).

Литий-ионные аккумуляторы сейчас наиболее популярны, технологический процесс их производства отработан, они имеют хорошие технические характеристики (емкость, внутреннее сопротивление), но имеют необходимость в токовой защите из-за нестабильности литий-ионного элемента. Преимущества литий-полимерной системы заключается в использовании любой геометрии ячейки и меньшей вероятности самовоспламенения.

В настоящее время по всему миру ведется работа по созданию новых типов источников энергии. На сегодняшний день наиболее перспективной в России можно назвать топливную батарею (fuel element). Емкость данного источника в 4 раза больше, чем у аналогичной по габаритам аккумуляторной батареи (табл. 3), что делает ее очень интересной для рынка портативных устройств. Для смартфонов, сотовых телефонов и различных портативных устройств массогабаритные параметры, наряду с функциональностью, являются одними из основных, что обуславливает постоянную работу по улучшению этих показателей.

Таблица 3. Сравнительная характеристика современных источников энерги

Выбор устройств управления питанием

После оценки требований к силовым регулирующим устройствам можно выделить два основных типа этих устройств:

• постоянный и подстраиваемый регулятор с низким падением напряжения (Low Drop Out); • управляемый DC/DC импульсный стабилизатор.

Для маломощных многоканальных устройств наиболее выгодно интегрировать все регуляторы с низким падением напряжения в одном чипе при помощи КМОП-технологии.

Как правило, на таких регуляторах падение напряжения не превышает 100 мВ. Для питания чувствительных аналоговых устройств, таких как радиочастотные приемники или передатчики, к регуляторам предъявляются дополнительные требования, например, небольшой уровень шума. Для увеличения времени жизни аккумуляторной батареи регулятор может переходить вждущий режим, потребление в котором составляет всего лишь несколько мА.

Выбор DC/DC-регулятора может быть обусловлен его высокой эффективностью и возможностью управления большими токами, что обеспечивает более сбалансированный подход к управлению питанием портативных устройств. Для сведения к минимуму потребляемой мощности рекомендуется выбирать интегральные микросхемы управления питанием (PMIC) с эффективностью не менее 90%.

Достигнуть этого можно, уменьшив потери на переключениях с помощью более синхронного выпрямления за счет использования МОП-транзисторов. Стандартные микросхемы управления питанием уже имеют встроенный МОП-транзистор. Импульсный стабилизатор, в зависимости от нагрузки, может использовать два режима работы. При большой внешней нагрузке, требующей большой отдачи, регулятор работает в режиме широтно-импульсной модуляции на дискретной частоте.

Так же используется режим частотно-импульсной модуляции на более низкой частоте, когда не требуется большой отдачи в нагрузку.

Изменение нагрузки, соответственно, ведет к смене режима работы (рис. 5). Во время активного режима микросхема работает как контроллер, отслеживая и регулируя напряжение.

Рис. 5. Переходные процессы при ШИМ/ЧИМ(модуляции)

За счет этого регулятор должен весь рабочий цикл поддерживать небольшое выходное напряжение, даже в случае понижения входного, тем самым сохраняя энергию, как регулятор с низким падением напряжения.

Другим критическим требованием является возможность батареи контролировать уровень своего заряда и, в случае необходимости, переключаться на резервный аккумулятор при помощи регулятора.

Существуют интегрированные решения, которые соответствуют большинству перечисленных требований, и одним из них является микросхема LP3970 (рис. 6). Данная разработка многофункциональна, имеет возможность динамического управления напряжением питания при небольших затратах энергии, что является ее отличительной особенностью от предшествующих. Помимо этого в ее состав входят 11 регуляторов с низким падением напряжения и уровнем шума, два DC/DC-конвертора и 4 логических выхода общего назначения. Учитывая специфику применения, для LP3970 производится 100-процентный контроль по токовой и температурной перегрузке. Современные процессоры поддерживают большое количество периферийных устройств и интерфейсов, включающих в себя: внешнюю память SRAM, Bluetooth, WLAN/802.11x, карт памяти MMC/SD, USB, внешних графических процессоров, ЖК-дисплеев и их подсветки.

Рис. 6. Функциональная блок-схема микросхемы LP3970

Выбор между обычным импульсным стабилизатором и регулятором с низким уровнем падения напряжения для осуществления питания дополнительных потребителей осуществляется непосредственно разработчиком. Универсальность LP3970 намного упрощает процесс разработки систем по снижению энергопотребления процессоров.

Выводы

Постоянное развитие функциональности портативной техники ведет к увеличению потребления энергии. Для решения этой проблемы существует два пути; первый — это открытие нового типа электрохимической системы аккумуляторной батареи или усовершенствование старой, второй — экономия энергии за счет применения интеллектуальных микросхем управления питания. При всех достоинствах топливной батареи следует учесть несколько ее недостатков — большую вероятность воспламеняемости и высокую цену.

Современные разработчики имеют хороший шанс отработать использование больших возможностей микросхем управления питанием до массового появления новых типов аккумуляторов, что в последствии, в результате их соединения, будет платформой для создания малопотребляющих и портативных устройств с большой функциональностью и временем работы без подзарядки.

Литература

1. Power Management Design for Applications Processors// Power Designer. National Semiconductor. № 105.
2. On-chip power management utilizing an embedded hardware controller and a low-power serial interface http://www.national.com/appinfo/power/files/OnchipPWRMgmtEmbeddedWorld021704.pdf
3. Wireless Intel SpeedStep® Power Manager ftp://download.intel.com/design/pca/applicationsprocesors/whitepapers/30057701.pdf
4. Информационный портал компании National Semiconductor по силовой электронике. http://powerwise.national.com.
5. Портал силовых продуктов компании National Semiconductor. http://www.national.com/appinfo/power.
6. Информационный портал компании Intel по семейству процессоров PXA27x. http://www.intel.com/design/pca/prodbref/253820.htm.
7. Информационный портал по аккумуляторным батареям. http://www.cadex.com/info.asp.
8. http://cache.national.com/ds/LP/LP3970.pdf.
9. ftp://download.intel.com/design/pca/prodbref/253820pb.pdf.

Евгений БИРЮКОВ, Дмитрий ВАСИЛЕНКО

Статьи по: ARM PIC AVR MSP430, DSP, RF компоненты, Преобразование и коммутация речевых сигналов, Аналоговая техника, ADC, DAC, PLD, FPGA, MOSFET, IGBT, Дискретные полупрoводниковые приборы. Sensor, Проектирование и технология, LCD, LCM, LED. Оптоэлектроника и ВОЛС, Дистрибуция электронных компонентов, Оборудование и измерительная техника, Пассивные элементы и коммутационные устройства, Системы идентификации и защиты информации, Корпуса, Печатные платы