如何使便携式电子产品的电池技术充分发挥功效

个人及便携式电子产品不断推陈出新，发展步伐之快与摩尔定律的预测完全吻合。相较之下，电池技术的发展便远远落在其后。但新一代的产品必须采用极为耗电而内含较多晶体管的芯片，才可支持那些受用户欢迎的功能。问题是用户同时也希望新产品有较长的电池寿命，无需频频充电。为了让客户能够鱼与熊掌同时兼得，系统设计工程师必须考虑采用任何有助削减系统耗电量的技术。

这些节能技术基本上可以按照其执行方式分为应用层技术及后台技术两大类。应用层技术由应用程序本身来执行，以打印机为例来说，按次序打印的最后一份文件完成打印之后，打印机便会改用低功率模式。后台技术由操作系统、后台任务或硬件来执行，因此完全或几乎不受主要应用任务操控。外围设备活动监控电路便是其中的一种后台技术，其特点是可将显示器背光系统或磁盘机马达的电源切断。

系统设计工程师必须对这些技术有一点基本的认识，以便有需要时可以

加以利用，但没有需要时则尽量不去干扰这些技术，或尽量避免为其加设任何形式的障碍，以免在设计周期的后期阶段无法利用这些技术解决可能出现的节能问题。

应用层技术

遥控器等手持式设备的设计极为简单，操作模式只有开启及关闭两种。但这个看似简单的手持式遥控其实设计极为复杂，因为它的关闭模式并非真正关闭，事实上，遥控长期处于等待状态，以便用户可以随时拾起，随手便按。任何按钮一经触动，遥控便会从低功率的睡眠模式中唤醒，然后进入全面活跃模式。较为先进的电子产品可能会在开启及关闭之间添加多个不同的模式，例如时钟被固定在可以接受的最低速度，而暂时未用的电路区块则全部关闭，以便节省用电。

调低操作占空度是一个可为许多系统解决节能问题的方案。例如，建筑物的暖风/通风/空调系统的传感器或控制器节点真正作出响应的时间只有几秒或几分钟。这些系统在大部分时间之内都处于低功率模式的睡眠状态，唤醒之后，便立即向传感器取样或发出新的控制输出，由唤醒至完成工作全部时间不超过一秒，然后便回到睡眠状态，直至下一次为止。唤醒信号可以由硬件计时器发出，这个计时器采用特别的配置，可以按照固定的周期性速度发动系统。

操作模式也可以由外来信号控制。例如，控制门锁的无匙进出系统可能长期处于低功率模式的睡眠状态，一旦小键盘发觉有匙锁合，便会唤醒无匙进出系统。以上述情况来说，多输入唤醒（MIWU）支持便很有用，因为输入/输出端口的输入状态一旦有变，多输入唤醒功能便会唤醒处于低功率模式的中央处理器。执行多输入唤醒功能的逻辑电路区块负责监控端口管脚及外围设备接口，以便检测状态是否有变。多输入唤醒功能一经设定，便可唤醒处于低功率模式的系统，然后发出中央处理器中断信号。只要采用多输入唤醒功能，系统在等待输入信号时便无需先执行键盘扫描环路或其他监控软件，因此可以大幅降低功耗。

协议规定的低功率模式

部分通信协议可以支持多种不同的低功率模式。例如，按照无线蓝牙 （Bluetooth） 通信协议的规定，蓝牙系统有三种低功率模式可供选择：

· 探测模式 -- 蓝牙系统检测称为微微网 （piconet） 的局部蓝牙网络时，便处于低占空度的状态。占空度的大小由微微网主机及从属装置互相协商而定，经过协商同意后，主机及从属装置都可各自发出指令，以便改用探测模式。已采用探测模式的主机及从属装置也可各自发出指令，以便脱离探测模式。

· 保持模式 -- 蓝牙系统可以停止检测微微网一段时间，停止时间的长短由主机及从属装置通过协商预先决定。经过协商同意后，主机及从属装置都可各自发出指令，以便改用保持模式。预定的停止时间一旦届满，保持模式便会自动终止。

· 停泊模式 -- 蓝牙系统已终止与网络的连线，但仍与该频道保持同步。主机决定从属装置是否采用停泊模式。从属装置可以提出采用或停用停泊模式的请求，但采用停泊模式与否，完全由微微网主机决定，主机只需发出相关指令便可。

在以上的模式之中，探测模式的占空度最高，其次是保持模式，停泊模式的占空度最低。若蓝牙系统已停止在微微网上的任何活动，可以进入低功率模式，但先决条件是有关的蓝牙手机或设备不可脱离微微网独自操作。

通过硬件执行的低功率模式

嵌入式微控制器通常设有至少一个低功率模式，以支持实际应用所需的电源管理功能。美国国家半导体 CP3000 系列连接处理器采用先进的电源管理技术，其中内置的两个 12MHz 及 32.768kHz 振荡器负责支持四个不同模式：

· 活跃模式 -- 有关应用以 12MHz 的系统时钟频率全速操作。片上锁相环路时钟乘法器负责提供 24MHz 的中央处理器时钟，也为通用串行总线 （USB） 节点控制器提供 48MHz 的时钟。

· 节能模式 -- 中央处理器及指定的外围设备都由 32.768kHz 的时钟负责为其计时。12MHz 的振荡器及锁相环路可能会被关闭。

· 空闲模式 -- 中央处理器及指定的外围设备没有时钟为其计时。由 32.768kHz 振荡器为其计时的监视器计时器设有编程功能，可以按照设定的参数发出信号，触发系统脱离空闲模式。我们可以将多输入唤醒模块设定，以便一旦发觉端口管脚出现上升或下降边沿，该模块便会发出信号，触发系统脱离空闲模式。

· 停止模式 -- 将 32.768kHz 的振荡器关闭。多输入唤醒模块仍继续操作，使外来信号可以触发系统脱离停止模式。

我们可以利用不同的方法执行这些模式，以便达到节能的目的。虽然没有一套现成的规律可以适用于所有系统，但以下图表列出实际应用时适合蓝牙及 CP3000 模式采用的电源管理模式。

适合协议及硬件两种模式采用的操作模式

如何处置暂停使用的外围设备

我们只要关闭暂停使用的外围设备，便可减低大部分微控制器的耗电量。CP3000 系列芯片分别为每一外围设备区块提供启动位。这款芯片可以支持这么多外围设备，根本没有任何应用可以完全用尽这些外围设备区块，因此必定有部分外围设备区块暂时未用。为了降低功耗，这些未用的外围设备区块必须全部关闭。

由于外围设备所需的时钟频率与系统的时钟频率不同，也由于外围设备的时钟频率不受所采用的电源管理模式操控，因此 CP3000 芯片的时钟合成模块负责为这些外围设备提供独立的时钟。为了尽量节省能源，有关应用应关闭这些未用外围设备的辅助时钟。

如何处置暂停使用的端口管脚

我们若任由没有被驱动的 CMOS 输入端浮动至逻辑电平介于 0 与 1 之间的输入电压范围，便会耗用大量的供电。输入/输出端口若配置为输入端，而且任由其自由浮动，上述情况便有可能出现，因此任何并非外在驱动、或拉高/拉低的输入端口便应配置为输出端。CP3000 端口电路设有可编程的上拉功能，随时可以加以利用，以免没有被驱动的输入端自由浮动。

CP3000 的端口管脚在芯片复位后配置为输入端，这是 CP3000 芯片的预设配置。采用这样的配置是有必要的，因为外接元件可能会驱动这些端口管脚。这些端口管脚若预设为输出端，微控制器与外接元件可能会在复位后互相争夺使用缓冲区。因此，有关应用有责任在复位后配置没有被驱动的端口管脚。

后台技术

后台的电源管理技术与有关应用之间可能会产生交互作用，以致有关应用可能需要作出相应的配合，但这些电源管理技术也可能完全不受有关应用操控。即使两者互不干扰，设计软件程序的工程师可能需要设定中断指令或调动其他资源，以便为这些电源管理技术提供支持。这些设计程序的工程师也可能需要了解这些技术的实际运作，以免有关应用与电源管理技术之间出现意想不到的干扰。例如，不必要的显示刷新或磁盘存取操作可能会对其中部分操作流程造成干扰，使已停止使用一段时间的显示器背光系统或磁盘机马达无法关闭。

活动监控程序

许多系统设计所采用的外围设备如显示器背光系统及磁盘机马达比微控制器更为耗电。对于这类设计来说，专门监控个别外围设备的活动监控程序可以大幅改善系统的能源效益。活动监控程序有本身的计时器，受监控的外围设备无论进行哪样的工作，都可避免计时器超过其设定时限。若计时器出现溢位或下溢 （出现哪一情况取决于计时器的设置），会将外围设备关闭或将之置于低功率的模式。

典型的活动监控程序利用实时操作系统 （RTOS） 提供的服务编定后台任务，以便处理已排程的事项，其中包括活动监控程序的任何资料更新。有关的后台任务必须预早编定，以便实时操作系统可以按照某一固定频率定时提出任务呼叫，一般来说每 10 至 100 毫秒 （ms） 之内呼叫一次。一旦已发出任务呼叫，任何必须执行的已排程工作都需要接受后台任务的审查，审查完毕后有关的后台任务便会暂停，直至再发出呼叫为止。

有关系统也可利用信号量或不同任务之间的信息传递功能，以便发布某一外围设备正在进行存取的信息。系统发出后台任务呼叫之后，会先核查有关设备是否已收到信号。若有关信号仍未收到，计数器的数字会调高。若计数器出现溢位，系统便会关闭外围设备。若有关信号已收到，计数器便会进行复位。

进入有关设备进行存取的设备驱动器可能会确定复位信号的真伪。当系统呼叫驱动器进入设备执行某一驱动器功能时，驱动器会确定后台任务信号的真确性。若驱动器本身没有这个功能，工程师可以先修改驱动器的源代码，然后加以重新编译，以便提供这个功能，但若这样做，驱动器便不再属于标准的一类。若果必须确保相关源代码及程序可与驱动器程序库的新版程序兼容，有一个具有较高便携性的解决方案可供选择，那就是先设定一组可传送有关信号的功能或宏指令，然后才呼叫标准的驱动器。

监控功能也可以利用硬件执行。外围设备进行存取时，计时器可以监控硬件的活动信号。计时器可视为自发计数器，每当受监控信号的真确性获得确定之后，计时器便会重新进行设定。若果计时器出现溢位，便会向中央处理器发出中断信号。中断服务例行程序随后便会关闭相关的外围设备。

硬件监控器的响应可能比软件监控程序快，但对于监控外围设备的监控程序来说，速度通常并不重要。即使利用软件方案关闭显示器背光系统会出现 100ms 的延迟，但对电池寿命来说，所产生的影响可说微不足道。况且，完全利用软件进行监控的解决方案也比较容易执行，因为活动监控程序只需集中处理一项工作，而且工程师可以只认识源代码，不必对硬件计时器的结构有任何认识。此外，软件方案具有较高的便携性，因为有关的程序不会固定装设在任何特定的硬件计时器之内。但软件方案需要占用较多的中央处理器带宽，若系统需要经常进入受监控的外围设备进行存取，这是一个需要慎重考虑的问题。

电压调节

若有关芯片的操作频率低于其最高上限，我们很多时即使调低操作电压，数字逻辑电路仍有足够的计时容限。我们只要因应频率的转变调节电压，便可大幅降低功耗，以及大幅提高能源效益。动态电压调节 （DVS） 功能基本上通过开放环路控制系统执行，办法是我们首先设定多个不同的频率与电压的固定组合，每当操作频率有变，电压便会根据与该频率相配的电压值作出相应修改。另一方面，自适应电压调节 （AVS） 功能则通过闭环电压控制系统执行，办法是利用片上传感器决定最低可予接受的供电电压，其优点是比采用开环的动态电压调节方式节省更多能源。

CMOS 功耗是开关 （动态） 功率及漏电功率的总和：

P = PSWITCH + PLEAKAGE ？ C x VDD2Af + VDD x ILEAKAGE

上述公式中：

C 是指数字系统的开关电容

VDD是指供电电压

f 是指开关时钟频率

A 是指开关活动因子

ILEAKAGE是指漏电电流

动态电压调节技术采用表列的方法，将不同的频率与操作所需的供电电压配对一起，显示以某一频率操作所需的供电电压。每一时钟频率所需的供电电压会因不同产品的不同要求而各异，而且有关的电压值必定设定为最坏情况下所需的电压，以便满足不同芯片工艺技术及不同系统操作温度的要求。图1 显示动态电压调节系统的结构框图。若果根据系统工作管理程序所作的判断，即使不以最高频率操作性能也不受影响，那么系统便会发出启动指示，改变操作频率及电压。换言之，频率会调低，而供电电压也会随着调低。由于上述有关功耗的公式之中的两个变项 （即 f 及 VDD2） 都一同调低，因此系统的操作功率会大幅下降。若果根据系统工作管理程序所作的判断，系统的操作频率必须提高，该管理程序便会向电源管理单元发出调节电压请求，随后时钟产生器便会将操作频率调高。提高电压所需的时间可以通过不同的途径决定，例如可以由片上计时器 （VDD_OK） 决定，也可根据系统的功能要求或电源管理单元的状态标记作出决定。但有一点需要注意，对于以最高频率操作的固定电压系统来说，动态电压调节功能不会为系统节省任何能源。

自适应电压调节 （AVS） 技术与利用开环控制系统执行控制功能的动态电压调节技术不同，自适应电压调节技术设有反馈电路，让片上硬件性能监控电路 （HPM） 可以为自适应电压调节系统提供反馈信号。由于硬件性能监控电路设于微控制器之内，所采用的工艺技术与微控制器所用的完全相同，而且操作时处于与系统同一的温度环境内，因此硬件性能监控电路可以根据最接近系统真正需要的频率调节供电电压，而非为假设的最坏情况提供供电。

图2 显示自适应电压调节系统的结构框图。整个电路系统由以下 4 个功能区块组成：硬件性能监控电路、先进电源控制器 （APC）、PowerWise？ 接口 （PWI） 及电源管理单元。PowerWise 接口由 ARM 公司及美国国家半导体合作开发，可为内置的先进电源控制器提供一个标准的双线控制接口，以便控制外接的电源管理单元。由这几个功能区块组成的自适应电压调节系统可以自动因应时钟频率、温度或芯片工艺切角提供操作所需的最低供电。

先进电源控制器倚靠来自硬件性能监控电路的输入信号来衡量操作情况，以决定是否有能力提供所要求的供电。先进电源控制器通过 PowerWise 接口将电压调节指令传送至电源管理单元，而电源管理单元便按照请求提供所需的供电电压。有关芯片便以最新调节的电压操作，其性能则由硬件性能监控电路不时作出监控。若电源供应系统有足够空间可以进一步调节供电电压以满足其要求，先进电源控制器便会发出最新的电压调节指令。供电系统必须按照先进电源控制器的指示在规定时间内调节其供电电压，以便自适应电压调节控制系统的反馈环路能够保持稳定。

无论嵌入式电脑以哪一频率 （包括最高频率） 操作，自适应电压调节系统都可为其提供足够的电源供应，满足其操作需要。系统以最高频率操作时，微控制器的供电规定已足以保证即使以最差工艺技术制造的芯片也可在最高操作温度环境下正常操作。但一般来说真正的操作温度都比规定的最高温度低，而芯片的工艺技术一般都比最坏的情况好。在这样的情况下，即使以最高频率操作，仍有足够空间将电压进一步调低。开环动态电压调节技术则无法发挥这个优点，但自适应电压调节技术则可利用内置式硬件性能监控电路发来的反馈信号检测实际供电是否超过性能所需，若情况属实，先进电源控制器便会指令电源管理单元将最高频率的操作电压调低。

有一款测试用的芯片采用 0.18mm 标准 CMOS 工艺技术制造，内含 ARM7 核心处理器、存储器及输入/输出逻辑电路。其中的处理器及所有外围逻辑模块都设有自适应电压调节功能，可以将供电电压由 1.8V 调低至 1.2V。其他的输入/输出、模拟电路及时钟产生电路都获得固定的 1.8V 供电电压。此外，硬件性能监控电路则负责与分立式稳压系统建立通信，而这个稳压系统在功能上仿似集成了先进电源控制器、PoweWise 接口及电源管理单元的闭环系统。

这款芯片的评估电路板具备所有测量功能，而且可以在固定频率/电压模式及闭环自适应电压调节模式之间实时切换。此外，其中的功率测量反馈电路还可捕捉图3 所示的数据。进行测试时，中央处理器在固定稳压及自适应电压调节稳压等两种情况下分别以 48、24、12 及 6 MHz 的频率执行一套基准测试软件。测试的结果显示，若采用固定电压模式，总功耗达 342mJ，但若采用自适应电压调节模式，总功耗则低至只有 141mJ。换言之，采用自适应电压调节模式比采用固定电压更节能，而且所节省的能源可以高达 59% 。

总结

由于便携式电子产品采用的芯片技术越来越先进，因此这类以电池供电的便携式系统的耗电量便不断增加。虽然近几年来电池技术已有大幅的改善，但在可见的将来，电池技术的发展仍会落后于芯片技术。由于消费者对电池寿命的期望不会有很大的改变，系统必须尽量降低功耗，才可充分利用新一代芯片技术的优点，加上部分技术需要硬件的支持，因此系统设计工程师挑选芯片时必须小心谨慎，才可为系统提供所需的功能。