智能系统的功耗管理与电源管理

2017-04-17

单片机与嵌入式系统应用 2017年12期

智能系统的功耗管理与电源管理

北京航空航天大学何立民

智能系统是微控制器(MCU)基础上的应用系统。过去提到过的单片机，以及现在的嵌入式系统都是智能系统。用“智能系统”概念能全面阐明从MCU诞生到单片机、嵌入式系统乃至物联网时代电子系统中功耗管理与电源管理的历史变迁。

1 降低功耗是现代电子系统的永恒课题

社会越进步，人们消费的电子系统越多。如今电子系统充斥在人们周围，相应的能源消费巨大，绿色电子的呼声越来越高。随着电子系统日益显著便携化，人们对低耗系统日益青睐。于是，不断降低电子系统的功耗水平。后来，人们发现在特定的CMOS集成电路产品中，功耗管理还能带来系统的可靠性效益，并有利于系统的大规模集成。因为在为降低功耗而增加系统待机时间里，可减少系统对噪声的敏感度；降低功耗后，自然减少了能耗热效应，有利于系统的高密度集成。因此，降低电子系统功耗是电子系统发展的永恒课题。

最早的电子系统设计中，只看重功能性设计。随着电子系统复杂程度提高，可靠性要求日益突出，便有了相应的可靠性设计环节。如今，功能性设计、可靠性设计与低功耗设计已经成为现代电子系统设计的三大板块，缺一不可。功能性设计、可靠性设计都是有限的目标设计，低功耗设计则是永无止境的要求。

电子系统的低功耗设计，经历了从本质低功耗设计到功耗管理设计的巨大跨越。如今，随着电子系统日益复杂、周边设备日益扩展、大系统日益增多，电子系统的功耗管理便不断向电源管理延伸。

2 从功耗管理到电源管理

早期的传统电子系统中，只有供电设计，没有功耗设计与电源管理设计。仅有的低功耗设计，只体现在寻找低功耗水平的电子元器件与低功耗的电路设计中。即便到了微控制器时代，有了功耗管理的软件技术，并没有可立即用于功耗管理的微控制器。早期的单片机，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工艺，不具有功耗管理的现实可能。后来，用CMOS工艺代替HMOS工艺，将MCS-51变革到了80C51。这一变革带来了微控制器功耗管理的可能。因此，功耗管理概念及应用始于微控制器的CMOS工艺时代。CMOS微控制器可提供空闲方式和掉电方式两种功耗管理方法。在空闲方式下，冻结CPU，只维持RAM定时器、串行口和中断系统正常功能。掉电方式下，保存RAM数据，停止时钟振荡与芯片内其他功能。这种功耗管理模式基于CMOS电路的静动态功耗特征。CMOS电路的静动态功耗特征不仅提供了微控制器的两种低功耗设计方法，还为智能系统提供了全面的低功耗设计理念，如时钟管理、电压管理、分区供电管理等，其中许多技术已涉及到系统的电源管理内容。

如果说功耗管理始于单片机时代的CMOS处理器，那么，电源管理则缘于嵌入式系统时代MCU应用系统外延急剧扩大的需求，如不断添加的外围电路、多机系统、总线系统，甚至局域网系统等带来的多能源供电、分布式供电、总线供电、电源的投切管理、充变电管理、合理用电等。在智能电子系统中，不论何种电源管理，除满足系统供、用电要求外，其核心的内容仍然是最大限度地降低系统功耗。

3 智能系统的最低功耗追求目标

CMOS微控制器为系统低功耗设计带来了功耗管理内容，实际电子系统有效功耗的微小时空占空比为系统低功耗设计带来巨大光明前景。智能系统的工程零功耗设计，是我们不断追求的理想目标。

零功耗系统设计理念源自电子系统微不足道的有效时空占空比。有效时空占空比是指满足系统功能要求所耗费的时间、空间与无谓耗费的时间、空间之比值。它为智能系统带来极大的节能潜力。

MCU面向对象，本身具高速运行、分时操作能力。其面对的对象是人与各种物理参数。MCU的高速运行与人-机交互、物-机交互的慢速响应要求，形成了极其惊人的有效运行占空比。以一个温室大棚监控系统为例。用最粗略的估算方法，设环境参数采集周期为1分钟，实际A/D采集、处理、存储时间可能仅为10毫秒，这时的有效功耗的时间占空比为1：6 000；对于采集后的控制操作，由于伺机系统不宜频繁操作，其外围设备的有效功耗时间占空比会远小于1：6 000。另外，采集周期中的采集、处理、存储的CPU分时分区操作，采集、控制、显示的区块分割运行，也带来了有限的有效功耗空间占比。

温室大棚监控系统并非个案，所有的电子系统，如果加以精算，都有极低的宏观与微观的有效时空占空比。人类本身可能就是一个理想的极低功耗系统。简单的一日三餐就能维持日常工作的能源需求。即使人类，也有进一步降低功耗的可能。仅以视觉功耗为例，在正常情况下，走5步路，睁开一次眼睛即可。若走5步路用5秒钟，睁眼一次用0.5秒，那么人类的视觉功耗便可降低90%。

可以看出，在一个实际运行的电子系统中，有效运行的时空占空比总是一个高阶小量，于是出现了工程零功耗设计理念。功耗管理包括电源管理中的功耗管理目标是向工程零功耗系统进军。

4 最小功耗设计的理论与原则

有了电子系统有效运行时空占空比的概念后，最小功耗设计应在维持其生存条件下，遵循“多干多吃、少干少吃、不干不吃、谁干谁吃”原则。为了维持生存，电子系统中必须有一个极微功耗的值守电路，以唤醒电路的有效运行操作，实施有效的功耗管理与电源管理。

智能电子系统的功耗管理基础是CMOS电路的功耗特征与MCU的功耗管理模式。我们可以从CMOS电路的功耗表达式中找出影响电路功耗的诸多因素，从而制定其功耗管理原则与方法。

CMOS电路具有的功耗由动态功耗与静态功耗组成，其表达式为：

P总=P动+P静=(P开关电流功耗+P同时导通功耗)+P漏电流功耗

≈CLVDD2f

其中: CL是负载电容，VDD是电路的电压，f是时钟频率。

式中第一部分与第二部分是CMOS电路的动态功耗，它包括开关电流功耗与P管和N管同时导通时短路电流产生的功耗。第三部分是由扩散区和衬底之间的反向偏置漏电流产生的静态功耗。在CMOS电路中，静态功耗极其微小，理论上为零，电路功耗主要表现为动态功耗。动态功耗中，开关(即0、1状态转换)电流功耗占有绝大部分。因此，CMOS电路中只考虑开关电流所产生的动态功耗。

开关电流的功耗是这样产生的：在CMOS电路中，当输入为“0”时，PMOS导通，电源通过 PMOS向负载电容CL充电；当电路输入为“1” 时，负载电容CL又会通过NMOS向地放电。开关电流就是不断对负载电容充放电所产生的电流。

可以看出，在CMOS电路系统中，功耗控制的主要方向是静动态功耗管理与动态功耗降耗。静动态功耗管理是将非有效运行时的电路单元置于静态工作状态，使其功耗近于零。动态功耗降耗则按动态功耗表达式PSW=CLVDD2f管理，在电路已确定的状态下，可用降低工作电压与系统工作时钟方式来减少系统功耗。

目前MCU中给出的空闲方式与掉电方式都属于将非有效运行的电路单元置于静态工作状态的功耗管理方式。近年来，MCU供电电压不断降低，或在内部采用不同电压的多电压供电，属于降低供电电压的功耗管理。C8051F系统MCU中设置的可编程选择多时钟系统则是根据CPU运行状态，实时选择尽可能低的时钟频率来降低系统功耗。可以看出，多年来MCU不断进化中的一个方面就是不断给软件以更有效的手段降低系统的功耗水平。目前，功耗管理已成为嵌入式操作系统的一个重要组成部分。

5 不断进化中的电源管理

在智能系统最小功耗设计的历史演化中，电源管理总是伴随左右，其目的是最大限度降低系统的功耗。在单片机时代的单机时代，就有了电源的供电管理，如不断降低系统供电电压与片内的多电压设置与应用。进入嵌入式系统的分布式多机时代，出现了多机供电、多机的实时供电管理，实施按需供电、降压供电的功耗管理。随着智能系统向总线系统、局域网系统发展，各种总线供电方式应运而生(如USB供电、以太网供电)。这时系统的功耗管理设计必须考虑这种供电方式带来的新问题。

另外，当智能电子系统进入到便携时代、新能源时代、物联网时代，电源管理又面临诸多新问题，如便携式电子系统电池供电时的充电管理、电池监测，不断延长一次充电后的使用周期的最小功耗设计，追求方便充电的无线充电方式等。随着新能源时代到来，电源管理又多出了电源变换中的新内容，如太阳能电池的监测、蓄变电、变流；电动汽车到来，给汽车电子增添了诸多的电源管理新内容。物联网时代，各种智能电子的局域网络电子兴起，必然带来网内电子设备间的电源管理内容。如智能家居中所有用电设备的统一供电，用电设备的最佳用电模式选择，用电设备电源的网络遥控、遥测、实时投切等。所有这些电源管理内容中，降低系统功耗无疑是一项中心内容。