智能系統(tǒng)的功耗管理與電源管理

北京航空航天大學何立民

智能系統(tǒng)是微控制器(MCU)基礎(chǔ)上的應(yīng)用系統(tǒng)。過去提到過的單片機，以及現(xiàn)在的嵌入式系統(tǒng)都是智能系統(tǒng)。用“智能系統(tǒng)”概念能全面闡明從MCU誕生到單片機、嵌入式系統(tǒng)乃至物聯(lián)網(wǎng)時代電子系統(tǒng)中功耗管理與電源管理的歷史變遷。

1 降低功耗是現(xiàn)代電子系統(tǒng)的永恒課題

社會越進步，人們消費的電子系統(tǒng)越多。如今電子系統(tǒng)充斥在人們周圍，相應(yīng)的能源消費巨大，綠色電子的呼聲越來越高。隨著電子系統(tǒng)日益顯著便攜化，人們對低耗系統(tǒng)日益青睞。于是，不斷降低電子系統(tǒng)的功耗水平。后來，人們發(fā)現(xiàn)在特定的CMOS集成電路產(chǎn)品中，功耗管理還能帶來系統(tǒng)的可靠性效益，并有利于系統(tǒng)的大規(guī)模集成。因為在為降低功耗而增加系統(tǒng)待機時間里，可減少系統(tǒng)對噪聲的敏感度；降低功耗后，自然減少了能耗熱效應(yīng)，有利于系統(tǒng)的高密度集成。因此，降低電子系統(tǒng)功耗是電子系統(tǒng)發(fā)展的永恒課題。

最早的電子系統(tǒng)設(shè)計中，只看重功能性設(shè)計。隨著電子系統(tǒng)復雜程度提高，可靠性要求日益突出，便有了相應(yīng)的可靠性設(shè)計環(huán)節(jié)。如今，功能性設(shè)計、可靠性設(shè)計與低功耗設(shè)計已經(jīng)成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)設(shè)計的三大板塊，缺一不可。功能性設(shè)計、可靠性設(shè)計都是有限的目標設(shè)計，低功耗設(shè)計則是永無止境的要求。

電子系統(tǒng)的低功耗設(shè)計，經(jīng)歷了從本質(zhì)低功耗設(shè)計到功耗管理設(shè)計的巨大跨越。如今，隨著電子系統(tǒng)日益復雜、周邊設(shè)備日益擴展、大系統(tǒng)日益增多，電子系統(tǒng)的功耗管理便不斷向電源管理延伸。

2 從功耗管理到電源管理

早期的傳統(tǒng)電子系統(tǒng)中，只有供電設(shè)計，沒有功耗設(shè)計與電源管理設(shè)計。僅有的低功耗設(shè)計，只體現(xiàn)在尋找低功耗水平的電子元器件與低功耗的電路設(shè)計中。即便到了微控制器時代，有了功耗管理的軟件技術(shù)，并沒有可立即用于功耗管理的微控制器。早期的單片機，如1976年推出的MCS-48，以及完善后的MCS-51，采用的都是高速度、高密度HMOS工藝，不具有功耗管理的現(xiàn)實可能。后來，用CMOS工藝代替HMOS工藝，將MCS-51變革到了80C51。這一變革帶來了微控制器功耗管理的可能。因此，功耗管理概念及應(yīng)用始于微控制器的CMOS工藝時代。CMOS微控制器可提供空閑方式和掉電方式兩種功耗管理方法。在空閑方式下，凍結(jié)CPU，只維持RAM定時器、串行口和中斷系統(tǒng)正常功能。掉電方式下，保存RAM數(shù)據(jù)，停止時鐘振蕩與芯片內(nèi)其他功能。這種功耗管理模式基于CMOS電路的靜動態(tài)功耗特征。CMOS電路的靜動態(tài)功耗特征不僅提供了微控制器的兩種低功耗設(shè)計方法，還為智能系統(tǒng)提供了全面的低功耗設(shè)計理念，如時鐘管理、電壓管理、分區(qū)供電管理等，其中許多技術(shù)已涉及到系統(tǒng)的電源管理內(nèi)容。

如果說功耗管理始于單片機時代的CMOS處理器，那么，電源管理則緣于嵌入式系統(tǒng)時代MCU應(yīng)用系統(tǒng)外延急劇擴大的需求，如不斷添加的外圍電路、多機系統(tǒng)、總線系統(tǒng)，甚至局域網(wǎng)系統(tǒng)等帶來的多能源供電、分布式供電、總線供電、電源的投切管理、充變電管理、合理用電等。在智能電子系統(tǒng)中，不論何種電源管理，除滿足系統(tǒng)供、用電要求外，其核心的內(nèi)容仍然是最大限度地降低系統(tǒng)功耗。

3 智能系統(tǒng)的最低功耗追求目標

CMOS微控制器為系統(tǒng)低功耗設(shè)計帶來了功耗管理內(nèi)容，實際電子系統(tǒng)有效功耗的微小時空占空比為系統(tǒng)低功耗設(shè)計帶來巨大光明前景。智能系統(tǒng)的工程零功耗設(shè)計，是我們不斷追求的理想目標。

零功耗系統(tǒng)設(shè)計理念源自電子系統(tǒng)微不足道的有效時空占空比。有效時空占空比是指滿足系統(tǒng)功能要求所耗費的時間、空間與無謂耗費的時間、空間之比值。它為智能系統(tǒng)帶來極大的節(jié)能潛力。

MCU面向?qū)ο螅旧砭吒咚龠\行、分時操作能力。其面對的對象是人與各種物理參數(shù)。MCU的高速運行與人-機交互、物-機交互的慢速響應(yīng)要求，形成了極其驚人的有效運行占空比。以一個溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)為例。用最粗略的估算方法，設(shè)環(huán)境參數(shù)采集周期為1分鐘，實際A/D采集、處理、存儲時間可能僅為10毫秒，這時的有效功耗的時間占空比為1：6 000；對于采集后的控制操作，由于伺機系統(tǒng)不宜頻繁操作，其外圍設(shè)備的有效功耗時間占空比會遠小于1：6 000。另外，采集周期中的采集、處理、存儲的CPU分時分區(qū)操作，采集、控制、顯示的區(qū)塊分割運行，也帶來了有限的有效功耗空間占比。

溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)并非個案，所有的電子系統(tǒng)，如果加以精算，都有極低的宏觀與微觀的有效時空占空比。人類本身可能就是一個理想的極低功耗系統(tǒng)。簡單的一日三餐就能維持日常工作的能源需求。即使人類，也有進一步降低功耗的可能。僅以視覺功耗為例，在正常情況下，走5步路，睜開一次眼睛即可。若走5步路用5秒鐘，睜眼一次用0.5秒，那么人類的視覺功耗便可降低90%。

可以看出，在一個實際運行的電子系統(tǒng)中，有效運行的時空占空比總是一個高階小量，于是出現(xiàn)了工程零功耗設(shè)計理念。功耗管理包括電源管理中的功耗管理目標是向工程零功耗系統(tǒng)進軍。

4 最小功耗設(shè)計的理論與原則

有了電子系統(tǒng)有效運行時空占空比的概念后，最小功耗設(shè)計應(yīng)在維持其生存條件下，遵循“多干多吃、少干少吃、不干不吃、誰干誰吃”原則。為了維持生存，電子系統(tǒng)中必須有一個極微功耗的值守電路，以喚醒電路的有效運行操作，實施有效的功耗管理與電源管理。

智能電子系統(tǒng)的功耗管理基礎(chǔ)是CMOS電路的功耗特征與MCU的功耗管理模式。我們可以從CMOS電路的功耗表達式中找出影響電路功耗的諸多因素，從而制定其功耗管理原則與方法。

CMOS電路具有的功耗由動態(tài)功耗與靜態(tài)功耗組成，其表達式為：

P總=P動+P靜=(P開關(guān)電流功耗+P同時導通功耗)+P漏電流功耗

≈CLVDD2f

其中: CL是負載電容，VDD是電路的電壓，f是時鐘頻率。

式中第一部分與第二部分是CMOS電路的動態(tài)功耗，它包括開關(guān)電流功耗與P管和N管同時導通時短路電流產(chǎn)生的功耗。第三部分是由擴散區(qū)和襯底之間的反向偏置漏電流產(chǎn)生的靜態(tài)功耗。在CMOS電路中，靜態(tài)功耗極其微小，理論上為零，電路功耗主要表現(xiàn)為動態(tài)功耗。動態(tài)功耗中，開關(guān)(即0、1狀態(tài)轉(zhuǎn)換)電流功耗占有絕大部分。因此，CMOS電路中只考慮開關(guān)電流所產(chǎn)生的動態(tài)功耗。

開關(guān)電流的功耗是這樣產(chǎn)生的：在CMOS電路中，當輸入為“0”時，PMOS導通，電源通過 PMOS向負載電容CL充電；當電路輸入為“1” 時，負載電容CL又會通過NMOS向地放電。開關(guān)電流就是不斷對負載電容充放電所產(chǎn)生的電流。

可以看出，在CMOS電路系統(tǒng)中，功耗控制的主要方向是靜動態(tài)功耗管理與動態(tài)功耗降耗。靜動態(tài)功耗管理是將非有效運行時的電路單元置于靜態(tài)工作狀態(tài)，使其功耗近于零。動態(tài)功耗降耗則按動態(tài)功耗表達式PSW=CLVDD2f管理，在電路已確定的狀態(tài)下，可用降低工作電壓與系統(tǒng)工作時鐘方式來減少系統(tǒng)功耗。

目前MCU中給出的空閑方式與掉電方式都屬于將非有效運行的電路單元置于靜態(tài)工作狀態(tài)的功耗管理方式。近年來，MCU供電電壓不斷降低，或在內(nèi)部采用不同電壓的多電壓供電，屬于降低供電電壓的功耗管理。C8051F系統(tǒng)MCU中設(shè)置的可編程選擇多時鐘系統(tǒng)則是根據(jù)CPU運行狀態(tài)，實時選擇盡可能低的時鐘頻率來降低系統(tǒng)功耗。可以看出，多年來MCU不斷進化中的一個方面就是不斷給軟件以更有效的手段降低系統(tǒng)的功耗水平。目前，功耗管理已成為嵌入式操作系統(tǒng)的一個重要組成部分。

5 不斷進化中的電源管理

在智能系統(tǒng)最小功耗設(shè)計的歷史演化中，電源管理總是伴隨左右，其目的是最大限度降低系統(tǒng)的功耗。在單片機時代的單機時代，就有了電源的供電管理，如不斷降低系統(tǒng)供電電壓與片內(nèi)的多電壓設(shè)置與應(yīng)用。進入嵌入式系統(tǒng)的分布式多機時代，出現(xiàn)了多機供電、多機的實時供電管理，實施按需供電、降壓供電的功耗管理。隨著智能系統(tǒng)向總線系統(tǒng)、局域網(wǎng)系統(tǒng)發(fā)展，各種總線供電方式應(yīng)運而生(如USB供電、以太網(wǎng)供電)。這時系統(tǒng)的功耗管理設(shè)計必須考慮這種供電方式帶來的新問題。

另外，當智能電子系統(tǒng)進入到便攜時代、新能源時代、物聯(lián)網(wǎng)時代，電源管理又面臨諸多新問題，如便攜式電子系統(tǒng)電池供電時的充電管理、電池監(jiān)測，不斷延長一次充電后的使用周期的最小功耗設(shè)計，追求方便充電的無線充電方式等。隨著新能源時代到來，電源管理又多出了電源變換中的新內(nèi)容，如太陽能電池的監(jiān)測、蓄變電、變流；電動汽車到來，給汽車電子增添了諸多的電源管理新內(nèi)容。物聯(lián)網(wǎng)時代，各種智能電子的局域網(wǎng)絡(luò)電子興起，必然帶來網(wǎng)內(nèi)電子設(shè)備間的電源管理內(nèi)容。如智能家居中所有用電設(shè)備的統(tǒng)一供電，用電設(shè)備的最佳用電模式選擇，用電設(shè)備電源的網(wǎng)絡(luò)遙控、遙測、實時投切等。所有這些電源管理內(nèi)容中，降低系統(tǒng)功耗無疑是一項中心內(nèi)容。

結(jié) 語

[1] 何立民.MCU最小功耗系統(tǒng)設(shè)計綱要[J].電子技術(shù)應(yīng)用,1999(10).

[2] 何立民.嵌入式應(yīng)用中的零功耗系統(tǒng)設(shè)計[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2002(5).

[3] 何立民.從Cygnal C8051F看8位單片機發(fā)展之路[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2002(5).

[4] 何立民.單片機高級教程[M].北京:北京航空航天大學出版社,2000.