AVS的工作原理

AVS的工作原理

CPU和DSP對數據處理速度的要求不斷提高，對電源模塊的供電要求也就相應地提高了，這主要體現在對電源的輸出電流大小及其變化率和輸出電壓峰峰值的要求上。相對于使用精巧的電路、大容量低ESR電容等缺乏靈活性的純硬件設計的缺點，AVS的引入不僅有利于電源模塊的熱設計，而且輸出電壓峰峰值小、恢復時間短，有效地改善了模塊的動態響應，特別適用于低電壓、大電流的場合。

自適應電壓調整AVS基于跟蹤系統處理器的性能變化，由嵌入式自適應先進電源控制器（APC）做出自適應電壓調整。APC通過PowerWise接口將系統處理器的性能（頻率）、溫度變化準確地傳遞給外部自適應電源管理芯片。然后，該電源管理單元根據性能需求自動調整供給系統處理器的電壓，使處理器運行在能確保應用軟件正確運行的最低電壓和頻率下。DVS和AVS的核心是先進電源控制器（APC）。圖2為AVS的原理框圖。

圖2 AVS的閉環控制原理框圖

在DVS模式中，APC根據來自時鐘管理單元CMU的頻率請求，從內部的DVS表中取出相應的電壓值，并傳送給PMIC。然后使用一個定時器來延遲CMU對于頻率的確認，直到電壓穩定為止。

在AVS工作模式中，當CMU為一個新的工作狀態請求一個新的頻率，并為該狀態設定一個新的HPM時鐘時，AVS的頻率就開始變化。隨后APC環路控制器使用硬件性能監視器HPM數據來確定所需的調節頻率。它反復調節電源電壓，直到能滿足新頻率的要求（如圖3所示）。這一過程聽起來雖然比較復雜，但是具有補償工藝和溫度波動、時鐘頻率變化、電源變換器偏移等優點。與電壓固定的系統相比，AVS模式實現的動態電壓控制最多能降低70%的功耗。

目前許多處理器芯片支持動態電壓、頻率控制，比如InteI公司的芯片支持SpeedStep，AMD公司芯片支持的NCQ技術，ARM支持的IEM（Intelligent Energy Manager）和AVS（Adaptive Voltage Scaling）等。不過，要讓動態電壓頻率調節發揮作用，真正實現節能，只有芯片的支持還是不夠的，還需要軟件與硬件的綜合設計。

圖3 AVS的控制環路示意圖

一個典型的動態電壓頻率調節系統的工作流程如下（主要部件及關系參見圖3）。

①采集與系統負載有關的信息，計算當前的系統負載。這個過程可以用軟件實現，也可以用硬件實現。軟件實現的過程是在操作系統的核心調用中安放鉤子，根據核心函數調用的頻度使用不同的算法來判斷系統的負載。CPU負載跟蹤與性能預測的工作也可以由硬件完成，如Freecscale的i.Mx31，通過采集一些核心信號中斷線、Cache、內存總線的使用情況等，計算當前的系統負載。這樣，一方面確保了負載計算的準確性；另一方面減輕了CPU用于負載跟蹤與性能預測的負擔。不過，硬件實現的缺點就是無法靈活地選擇預測算法。

②根據系統的當前負載，預測系統在下一時間段需要的性能。有多種預測算法可以選擇，要根據具體的應用來決定。同樣的，預測也可由軟件或硬件實現。

③將預測的性能轉換成需要的頻率，從而調整芯片的時鐘設置。

④根據新的頻率計算相應的電壓，并通知電源管理模塊調整供給CPU的電壓。這需要特別的電源管理芯片，比如Freescale公司的MC13783或者NS公司的支持PowerWise特性的系列電源管理芯片。它們能夠支持微小的電壓調整（25mV）并且能在極短的時間內（幾十μs）完成電壓的調整。

綜上所述，支持閉環AVS功能的標準系統配置必須有以下的基本元件：內置于處理器的先進電源控制器APC、集成PWI從屬器的電源管理芯片，以及將兩者連接在一起的PWI串行總線。電源管理集成電路負責為處理器提供不同的電壓，電壓大小則由先進電源控制器內的PWI主控器負責調節，辦法是由主控器將有關的命令傳往PWI從屬器，再由相關的電路進行調節。

先進電源控制器APC負責接收主處理器的命令，為電壓控制過程提供一個不受處理器影響的操作環境，以及實時跟蹤邏輯電路的操作速度。APC永遠處于戒備狀態，不斷監測系統的一切參數，例如，系統溫度、負載、瞬態、工藝及其他有關的變動，每當APC收到有關頻率即將轉變的消息，立刻分析判斷，以確定若以新頻率操作，系統最少需要多大供電電壓才可保持穩定。整個過程由閉環電路負責監控。

其他需要考慮的問題

電壓的降壓將導致與外部芯片接口的管腳的閾值電平發生變化，當與外部邏輯相連時，必須使用電平變換邏輯進行轉接，以適配接口兩側的閾值電平。例如一個電壓為0.8～1.2V的AVS電路和一個固定電壓1.2V的電路接口，則AVS電路的接口邏輯必須按照1.2V接口進行適配設計。類似的，由于DVS或AVS可能導致的頻率變化，與外部的同步電路設計接口時，必須計算接口的時序余量，如果時序不能完全匹配，則還需要添加額外的同步或延時電路來進行時序調整。

在調整頻率和電壓時，要特別注意調整的順序。當頻率由高到低調整時，應該先降頻率，再降電壓；相反，當升高頻率時，應該先升電壓，再升頻率。

輸出電壓范圍及電壓變化期間的斜率是必須考慮的兩個參數。在電壓發生變化的DVS周期中，必須控制輸出電壓的斜率，采用外部組件可以實現控制，也可以采用能夠在內部降低參考電壓變化的調速電容器，或者部署能夠通過較小的步長（如25mV）將輸出電壓從初始值調節到目標值的數字計數器等。

不斷降低的電壓電平對輸出電壓的精度也提出了更高的要求。因此，一般很難找到合適的標準器件來滿足相關需求。如果采用外部反饋分壓器，則電阻器的容差會增加內部電路的總容差。此類系統中的整體精度始終低于采用內部固定輸出電壓的解決方案，盡管后者需要2個額外的外接組件。因此，對于采用在工作過程中能夠微調的內部電阻分壓器的轉換器而言，需要定義一系列不同的電壓，而且在-40～+85℃溫度范圍內達到±1％的整體DC精度。

為了在不同的負載情況下實現最佳的瞬態響應或較低的輸出電壓容差，還必須采取其他措施，除了內部設計之外，還必須優化外部元件。采用較低的電感值，電流能夠以較快的速度提高，這尤其適合快速瞬態響應。在瞬態情況下，如果沒有負載，則較低的電感值較為有利，因為它將按照較低的電壓僅為輸出電容器充電并且具有較低的電壓過沖。

影響動態電壓與頻率調節技術得到廣泛應用的另一個最關鍵因素是預測的可靠性。沒有一種預測算法是100％準確的，也沒有一種算法可以應用于所有的程序；而對于某些應用（如音頻、視頻等），預測失敗的結果是不可接受的。但隨著預測算法的進步，動態電壓、頻率控制技術必將得到廣泛的應用，因為它能夠節省很多能量。而節能對許多便攜式設備來說，常常是第一要求。

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