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電路設(shè)計(jì)中的電源管理
現(xiàn)代電子設(shè)備一直在各個(gè)方面尋求更高的效率。提升設(shè)備價(jià)值的最重要標(biāo)準(zhǔn)之一是設(shè)備消耗的電量。隨著設(shè)備制造商朝著環(huán)保綠色計(jì)算和清潔能源概念的方向發(fā)展，必須設(shè)計(jì)出節(jié)能的電路。例如，諸如智能手機(jī)之類的獨(dú)立電池供電設(shè)備，客戶在購(gòu)買前會(huì)探索的關(guān)鍵因素之一就是電池壽命。因此，在設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行電源管理對(duì)于有效利用可用電源至關(guān)重要。
基于電源的電路設(shè)計(jì)分類
我們幾乎所有的日常電氣和電子設(shè)備都是使用電路設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)的。電路設(shè)計(jì)通常包括一個(gè)微控制器（例如ARM），FPGA，微處理器，ASIC和數(shù)字信號(hào)處理器以及存儲(chǔ)器以及輸入和輸出外圍設(shè)備?；?/span>電路設(shè)計(jì)的設(shè)備在多任務(wù)處理方面非常有效，并且還可以與其他網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備接口。
基于功耗的類型，電路設(shè)計(jì)分為兩種類型。便攜式和非便攜式。便攜式設(shè)備依靠?jī)?nèi)置電池供電。它們可以收費(fèi)，并且可以隨時(shí)隨地使用。便攜式系統(tǒng)的一些示例是數(shù)碼相機(jī)，手持GPS系統(tǒng)，移動(dòng)電話等。由于高度耐用的電荷放電周期，鋰離子電池在最近的設(shè)備中是首先選擇。非便攜式設(shè)備需要持續(xù)連接到電源。除了不可移植系統(tǒng)之外，便攜式系統(tǒng)是電源管理至關(guān)重要的主要關(guān)注領(lǐng)域。
功率優(yōu)化需求
電池尺寸和壽命
隨著設(shè)備的小型化和納米技術(shù)的出現(xiàn)，設(shè)備可分配給電池的空間正在減小。預(yù)計(jì)該設(shè)備將有效利用可用的功率和功能，而無需在性能上進(jìn)行權(quán)衡。在設(shè)備商業(yè)化期間，電池的使用壽命成為優(yōu)勢(shì)。
性能和功率利用率
電路設(shè)計(jì)是當(dāng)前技術(shù)的癥結(jié)所在，因此每天都有更多功能添加到現(xiàn)有系統(tǒng)中。因此，管理權(quán)力變得至關(guān)重要。用戶對(duì)設(shè)備的使用具有不可預(yù)測(cè)的性質(zhì)，因此，這些設(shè)備旨在滿足所有類型的工作負(fù)載。
適應(yīng)綠色技術(shù)
未來電子設(shè)備的電源很可能會(huì)從更環(huán)保的技術(shù)（例如太陽(yáng)能）中獲得。盡管太陽(yáng)能具有生態(tài)可持續(xù)性，但其功率密度與普通電力相同。在這種情況下，設(shè)備在任何情況下均有望高效工作。由于必須將熱量降到底，從而進(jìn)一步損失了功率。
電源管理技術(shù)
電路設(shè)計(jì)中的電源管理可以使用不同的技術(shù)在不同的階段完成。下面給出了可用技術(shù)的匯總。
軟件電源管理
軟件電源管理技術(shù)適用于設(shè)計(jì)階段和運(yùn)行時(shí)。在開始電路設(shè)計(jì)的物理設(shè)計(jì)之前，需要遵循三個(gè)步驟。它們是功率測(cè)量，功率分析和功率管理。軟件功耗測(cè)量是在各種抽象級(jí)別（例如電路，邏輯門，RTL或系統(tǒng)級(jí)別）上作為仿真完成的。軟件仿真雖然不提供實(shí)時(shí)的實(shí)際值，但會(huì)為設(shè)計(jì)人員提供一個(gè)估算值，基于此，設(shè)計(jì)人員可以優(yōu)化其設(shè)計(jì)。
功率分析是一種用于評(píng)估功率并驗(yàn)證系統(tǒng)功耗的實(shí)驗(yàn)和估算技術(shù)。利用諸如PowerScope，PSIM之類的軟件對(duì)電路設(shè)計(jì)中各個(gè)組件的功耗進(jìn)行建模。功率測(cè)量和分析的結(jié)果可以幫助設(shè)計(jì)人員將功率損耗的位置以及如何使其最小化歸零。這將導(dǎo)致電源管理協(xié)議的實(shí)施。
運(yùn)行時(shí)軟件功能優(yōu)化是通過選擇操作系統(tǒng)來完成的。每個(gè)操作系統(tǒng)都有不同的計(jì)劃和執(zhí)行任務(wù)的方法。算法因操作系統(tǒng)而異。因此，設(shè)計(jì)人員可以自由選擇適合其性能要求的操作系統(tǒng)，同時(shí)降低功耗。這種利用操作系統(tǒng)進(jìn)行電源優(yōu)化的方法稱為基于任務(wù)的軟件電源管理。
物理設(shè)計(jì)期間的電源管理
硬件電源管理分為靜態(tài)電源管理和動(dòng)態(tài)電源管理兩種。在設(shè)計(jì)階段完成的電源管理是靜態(tài)電源管理（SPM）技術(shù)。它們針對(duì)硬件和軟件優(yōu)化。動(dòng)態(tài)技術(shù)使用運(yùn)行時(shí)行為更改來減少系統(tǒng)中的功耗。
靜態(tài)或設(shè)計(jì)階段電源管理既包括硬件，也包括軟件。硬件優(yōu)化取決于體系結(jié)構(gòu)的變化，電源組件的放置，布線以及提供適當(dāng)?shù)慕拥?。軟件?yōu)化依賴于在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)用的低功耗綜合和編譯。
運(yùn)行時(shí)電源管理
運(yùn)行時(shí)電源管理對(duì)于提高系統(tǒng)效率至關(guān)重要。運(yùn)行時(shí)技術(shù)稱為動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)。最重要的技術(shù)是動(dòng)態(tài)電壓和頻率縮放，低功率狀態(tài)，功率策略。
動(dòng)態(tài)電壓和頻率縮放
已經(jīng)針對(duì)可變電壓和頻率處理器開發(fā)了動(dòng)態(tài)電壓和頻率縮放技術(shù)，其中處理器的頻率和電壓根據(jù)處理器的工作量而動(dòng)態(tài)變化。在空閑時(shí)間期間，動(dòng)態(tài)降低提供給系統(tǒng)各個(gè)組件的電壓，以減少整個(gè)系統(tǒng)的功耗。即使電壓發(fā)生變化，也應(yīng)格外注意時(shí)鐘設(shè)計(jì)以保持計(jì)算時(shí)間。
低功耗狀態(tài)
兩個(gè)主要的低功耗狀態(tài)是掛起/恢復(fù)和CPU空閑（休眠）。暫停和恢復(fù)狀態(tài)使CPU處于保持狀態(tài)，并停止所有正在進(jìn)行的進(jìn)程。此狀態(tài)類似于系統(tǒng)中斷，但其區(qū)別是未使用CPU或?qū)⑵浔３衷谛碌囊阎恢谩?/span>
系統(tǒng)處于空閑或休眠狀態(tài)時(shí)，CPU將無任何運(yùn)行。僅高速緩存有效，CPU執(zhí)行節(jié)電暫停指令，進(jìn)入NAP模式，該模式消耗的功率小于10mW。CPU也禁用計(jì)時(shí)器。因此，系統(tǒng)空閑比掛起恢復(fù)更節(jié)能。
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