電源管理技術是所有電子設備系統的必要組成單元。當來自能量源（如交流電源、太陽能電池板、燃料電池）的能量轉化為負載時，電源管理功能必須要精確控制電壓和電流強度。由於市場上對於轉換效率和調節品質這兩方面功能具有強烈要求，因此這兩方面的發展也推動著電源管理技術的持續進步，像是從最初的LDO，逐步發展到現今效率超過90％的高精度、多模式DCDC轉換器。

數位處理器的電源管理技術演化史

由於穩壓器的效率發展已遇到了瓶頸，使得目前的技術研究主題已轉為如何改善系統的效率，以滿足可攜式電子設備在透過電池供電時有能源限制的嚴苛要求。

在一般可攜式設備中，總能量的30％到50％會被數位處理器消耗掉。通常數位電路系統必須靠半導體製程技術的穩定提升來解決功耗的問題。但採用最新的製程結點，會帶來高昂成本，以及複雜的設計、驗證和製造過程，反而限制了它的應用範圍。

近來的業界經驗顯示，除非在一開始就考慮電源管理設計的問題，否則只是單純採用最新的半導體製程，並不能保證就一定具有低功耗效能。

本文將介紹另一種獲得電源效能，在可被接受的水準範圍內補充性的方法，也就是利用動態電壓，頻率調節（DVFS）和數位SoC的主動和被動漏電管理技術，這種方法在某些時候甚至是一種可供選擇的有效方案。尤其當與精心設計的電源管理架構一起使用的時候，這種技術能夠明顯降低SoC的功耗。本文將深入分析，如何透過美國國家半導體的先進電源控制程式（APC），在最新的SoC上實現先進的DVFS技術。

數位IC的功耗

以下列出了數位CMOS邏輯電路的動態和靜態功耗的基本方程式︰

《公式一》

以上的方程式是假設軌對軌訊號擺幅於CMOS IC內部。

先進的電源控制程式，能夠透過對電源電壓和洩漏電流進行動態或靜態的管理來改善功率耗損量。動態電壓調節（DVS）和更先進的自適應電壓調節（AVS），這兩種不同的技術都能被用來管理電源電壓。如果使用功耗控制和反向偏壓（或稱之為閥值調整）技術，就能對洩漏電流進行主動管理，而使用多閥值邏輯庫或簡單地選用低洩漏電流的半導體製程，可以對洩漏電流進行被動性的管理。

APC能夠與動態頻率管理一起使用。當APC中不包含頻率選擇的運算法時，控制器中會內建與SoC時脈管理單元（CMU）的介面，來執行可調變式的工作頻率。頻率控制運算法，如ARM的智慧型能源管理技術，和具有自有的頻率選擇方法都能夠與APC一起使用。

先進的電源控制程式功能

APC能夠提供兩種軟體IP版本︰APC1和APC2。APC1適用於只有一個可控性電壓域的簡單型SoC。APC1支援與PowerWise（PWI）1.0相容的點對點介面，用來連接外部的PMIC。

APC2透過支援多個串行的電壓和時脈域，能夠對更複雜的SoC進行能源管理。此外APC2所具備的，可以在一個共享的電壓範圍內控制多個獨立時脈的特殊能力也十分重要。甚至出於系統規模和成本的考慮，僅能使用少量外部整流器的情況下，它也能實現低功耗運作。PWI 2.0匯流排介面允許APC2與多個週邊甚至另一個SoC相連。

(表一)概括了APC1和APC2的特性。

設有先進電源控制程式的系統架構

(圖一)顯示了一個使用APC2的雙電壓域SoC和系統架構。SoC中包括兩個分別被稱為「硬體加速器」和「CPU」的電壓控制域中的邏輯模組。從DVFS的觀點來看，任何數位功能都可以在這些時域中執行。在每個時域中，都顯示了一個用於AVS控制的硬體性能監控器（HPM）。如果電壓域的面積過大，或在其中需要進行大量暫態的邏輯跳變，可以使用多個HPM和多個時脈域。時脈管理單元為電壓域和HPM提供時脈訊號。

《圖一　設有APC2和DVFS的雙時域SoC》

從圖一中可看出，APC2的模組中顯示了APC的四個主要功能模組，包括︰控制邏輯模組提供主機介面（AMBA-APB），CMU介面和中斷管理服務等。迴路控制器在AVS模式下管理電壓調節。APC2能有多個迴路控制器，來實現多個電壓域，並可為DVS支援提供每個電壓域的頻率電壓表。

PWI 2.0主介面將SoC與PMIC和其他外設相連。PMIC內部是PWI 2.0介面邏輯和多種PWI控制的標準穩壓器和AVS穩壓器。後者是專門用來設計於工作在全閉迴路AVS模式下的。至於其他功能，像音效或電池充電，也能整合在PMIC上。

APC執行DVFS操作

APC能在兩種模式下執行DVFS操作︰DVS和AVS模式。在DVS模式中，APC根據來自CMU的頻率請求，從其內部的DVS表中取出相應的電壓值，並將它傳送給PMIC。使用一個定時器來延遲CMU對於頻率的確認，直到電壓穩定為止。

圖一中的藍線顯示了PowerWise的AVS工作模式。當CMU為一個DVFS時域要求一個新的頻率，並為該時域設定一個新的HPM時脈時，在AVS下的頻率就會開始變化。隨後APC迴路控制器會使用HPM的數據來確定過程中所需的頻率調節。它將反覆的調節電源電壓，直到能夠滿足新頻率的要求為止。

這個過程聽起來雖然比較複雜，但是能夠帶來補償流程和溫度的波動、時脈頻率的變化、靜態IR的下降和PMIC整流器的偏移等諸多優點。與固定電壓的系統相比，使用APC2在AVS模式下執行DVFS最多能夠降低70％的功耗。

APC1和APC2都是在可編程式的硬體中執行電壓控制運算法。其最大優點是電壓控制可以獨立於軟體和其所使用的平台之外，因而大幅地簡化了系統整合。最重要的是，APC的編程和配置能力使其能夠作為一種全面量身訂製的設計，適應類似設計架構的靈活性，並且其設計時間、風險和所需的資源都比其他的執行方法要少很多。

---作者任職於NS美國國家半導體---

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