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电路板设计中的电源管理


现代电子设备一直在各个方面寻求更高的效率。提升设备价值的最重要标准之一是设备消耗的电量。随着设备制造商朝着环保绿色计算和清洁能源概念的方向发展,必须设计出节能的电路板。例如,诸如智能手机之类的独立电池供电设备,客户在购买前会探索的关键因素之一就是电池寿命。因此,在设计电路设计时进行电源管理对于有效利用可用电源至关重要。
基于电源的电路设计分类
我们几乎所有的日常电气和电子设备都是使用电路板设计设计的。电路板设计通常包括一个微控制器(例如ARM),FPGA,微处理器,ASIC和数字信号处理器以及存储器以及输入和输出外围设备。基于电路设计的设备在多任务处理方面非常有效,并且还可以与其他网络和设备接口。
基于功耗的类型,电路设计分为两种类型。便携式和非便携式。便携式设备依靠内置电池供电。它们可以收费,并且可以随时随地使用。便携式系统的一些示例是数码相机,手持GPS系统,移动电话等。由于高度耐用的电荷放电周期,锂离子电池在最近的设备中是首先选择。非便携式设备需要持续连接到电源。除了不可移植系统之外,便携式系统是电源管理至关重要的主要关注领域。
功率优化需求
电池尺寸和寿命
随着设备的小型化和纳米技术的出现,设备可分配给电池的空间正在减小。预计该设备将有效利用可用的功率和功能,而无需在性能上进行权衡。在设备商业化期间,电池的使用寿命成为优势。
性能和功率利用率
电路设计是当前技术的症结所在,因此每天都有更多功能添加到现有系统中。因此,管理权力变得至关重要。用户对设备的使用具有不可预测的性质,因此,这些设备旨在满足所有类型的工作负载。
适应绿色技术
未来电子设备的电源很可能会从更环保的技术(例如太阳能)中获得。尽管太阳能具有生态可持续性,但其功率密度与普通电力相同。在这种情况下,设备在任何情况下均有望高效工作。由于必须将热量降到底,从而进一步损失了功率。
电源管理技术
电路板设计中的电源管理可以使用不同的技术在不同的阶段完成。下面给出了可用技术的汇总。
 
软件电源管理
软件电源管理技术适用于设计阶段和运行时。在开始电路设计的物理设计之前,需要遵循三个步骤。它们是功率测量,功率分析和功率管理。软件功耗测量是在各种抽象级别(例如电路,逻辑门,RTL或系统级别)上作为仿真完成的。软件仿真虽然不提供实时的实际值,但会为设计人员提供一个估算值,基于此,设计人员可以优化其设计。
功率分析是一种用于评估功率并验证系统功耗的实验和估算技术。利用诸如PowerScope,PSIM之类的软件对电路设计中各个组件的功耗进行建模。功率测量和分析的结果可以帮助设计人员将功率损耗的位置以及如何使其最小化归零。这将导致电源管理协议的实施。
运行时软件功能优化是通过选择操作系统来完成的。每个操作系统都有不同的计划和执行任务的方法。算法因操作系统而异。因此,设计人员可以自由选择适合其性能要求的操作系统,同时降低功耗。这种利用操作系统进行电源优化的方法称为基于任务的软件电源管理。
物理设计期间的电源管理
硬件电源管理分为静态电源管理和动态电源管理两种。在设计阶段完成的电源管理是静态电源管理(SPM)技术。它们针对硬件和软件优化。动态技术使用运行时行为更改来减少系统中的功耗。
静态或设计阶段电源管理既包括硬件,也包括软件。硬件优化取决于体系结构的变化,电源组件的放置,布线以及提供适当的接地。软件优化依赖于在设计时应用的低功耗综合和编译。
运行时电源管理
运行时电源管理对于提高系统效率至关重要。运行时技术称为动态电源管理技术。最重要的技术是动态电压和频率缩放,低功率状态,功率策略。
动态电压和频率缩放
已经针对可变电压和频率处理器开发了动态电压和频率缩放技术,其中处理器的频率和电压根据处理器的工作量而动态变化。在空闲时间期间,动态降低提供给系统各个组件的电压,以减少整个系统的功耗。即使电压发生变化,也应格外注意时钟设计以保持计算时间。
低功耗状态
两个主要的低功耗状态是挂起/恢复和CPU空闲(休眠)。暂停和恢复状态使CPU处于保持状态,并停止所有正在进行的进程。此状态类似于系统中断,但其区别是未使用CPU或将其保持在新的已知位置。
系统处于空闲或休眠状态时,CPU将无任何运行。仅高速缓存有效,CPU执行节电暂停指令,进入NAP模式,该模式消耗的功率小于10mW。CPU也禁用计时器。因此,系统空闲比挂起恢复更节能。

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