消费者永远都喜欢可携式装置中的新功能，而且显然对于延长电池续航力的期待一直都没有改变，其结果便是使系统与SoC（系统单晶片）设计小组必须面对新增功能，同时还要维持高电池续航力的挑战。此时便需要应用新的省电技术，例如电压调整（voltage scaling），来维持高电池续航力，同时新增系统功能。在SoC设计中，可以透过使用开放回路（动态）与封闭回路（调整式）电压控制策略的频率与电压调整来达到降低耗电量的目标。
频率与电压调整
运算系统会即时执行工作。当系统负荷高时，便需要最高频率的运作；当系统负荷低时，便可以在较低的频率运作。频率调整乃是降低执行时期耗电量的一个有效的方式，电压调整与频率调整可显著地降低耗电量及提高能源效率。动态电压调整（DVS）乃是藉由在开放回路电压控制系统中采用频率与电压配对（pair）而达成的。而调整式电压调节（AVS）则是不需使用频率与电压配对，同时还能提供额外省电能力的封闭回路电压控制系统来达成的。
CMOS数位系统的耗电量
CMOS数位系统的耗电量为切换（动态）电源与漏电流的总和：
公式中的C代表数位系统中的切换电容，V为电源供应电压，F为切换的时脉频率，A为切换的活动因素而Ileakage则是漏电电流。
开放回路动态电压调整（DVS）
(图一)是一套DVS系统图示。当系统在低于最高频率下运作时，频率便会降低，而电压也就会跟着降低。透过DVS系统，每个运作频率所使用的电源供应电压，为所有矽处理程序与温度变化上所需要的最坏情况数值。在降低的频率下运作时，耗电量便会显著降低，因为F与V2 的电源方程式降低了。在最高频率情况下运作时，DVS并无法在固定电压上提供省电能力。
封闭回路调整式电压调节（AVS）
(图二)为一套封闭回路AVS系统图示，由含有整合式的硬体效能监视器（HPM）的先进电源控制器（APC）与电源管理单元（PMU）组成。 APC是使用开放标准的PowerWise介面（PowerWise Interface；PWI）来与PMU连接。这些元件会视不同的时脉频率、温度与晶片程序情况来为运作提供最小供应电压。封闭回路AVS系统是使用内建于调整的电压区域中的HPM来监视晶片效能及提供关闭可变式电压系统控制回路的机制。由于HPM是位于与它所显示的运算系统相同的矽晶片(silicon)中,因此它便可以为晶片程序与温度做补偿。
APC会处理来自HPM的资讯，并判断是否需要调整电压；电压调整指令则会透过PWI传送给PMU。 ASIC设计为产生慢时序的晶片程序在最高温度情况下运作做了准备。典型的运作温度与矽晶片效能会导致产生电压余裕（voltage headroom）。 AVS系统会侦测到这个余裕（headroom）并调整电压在所有运作频率中提供最小操作电源。
降低SoC电源
(图三)中的测试晶片是建置在一个标准的0.18微米CMOS制程上。处理器（ARM7 TDMI-S）与周边设备逻辑会到得在1.8V至1.2V之间变化的电压，而类比回路与时脉产生逻辑则会获得1.8V的固定电压供应。 HPM则会与模拟完全整合的APC、PWI与PMU封闭回路系统的分离式电压系统通讯。
(图四)为测试晶片上调节电压区域中的耗电量比较。此典型效能矽测试晶片在AVS于固定的1.8V电源供应情况下测得的省电幅度，在80MHz时为45％、在48MHz时为63％，以及在6MHz时为81％。
| 《图四 电源测量：含有固定电压与AVS的180nm测试芯片》 |
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@PowerWise AVS的优点
(图五)中显示的模拟耗电量包括了固定电压、开放回路DVS与封闭回路AVS电压供应系统。此模拟作业为含有96MHz、慢速模拟模型与120℃接面温度的与DVS电压供应采用了±10％的调整方式。这些条件代表了ASIC样式设计的一般静态时序分析条件。
| 《图五 仿真的电源：含有AVS、2-step DVS与固定电源供应电压的130nm设计》 |
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DVS资料代表了一个两层的电压供应系统。在频率高于70MHz时，会套用1.2V的电源供应电压，而在频率低于70MHz时，则会套用0.9V的电源供应电压。 AVS的电源供应电压为在模拟的设计中发生的时序故障（timing failure）加上适当的余裕考量（margin considering）HPM精确度的电压。
在已调整的频率上运作时，是藉由DVS与AVS来于固定电压系统上达到降低电源的目标。另外AVS还可在所有操作电压上提供降低电源的额外好处。在设计目标频率上达到的省电效果，这是因为在使用慢速矽晶片时在最高频率及最高接面温度上的封闭时序的设计需求而产生的。
结论
耗电量与能源效率乃是系统设计上的关键考量因素。 DVS或AVS在系统设计中的应用，提供了可在电压固定系统上达到显著省电的好处。当系统在低于最高设计频率的频率上运作时，DVS便提供了可在已调整频率的系统上达到省电与节省能源的好处。 AVS提供了在频率固定系统以及可变的频率的系统上达到省电与节省能源效果的好处。 PowerWise调整式电压调节技术可在SoC设计中、在所有运作频率上，包括设计目标最高频率，达到显著的电源降低效果。（作者为美国国家半导体公司电源市场部资深应用工程师）
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