当系统变得越来越复杂时，设计者的最大挑战是：如何在应用功能中，为不同的模组／组合单元，设计不同的电源和电压。尤其是针对手持式装置而言，因为电池供电的限制，使得设计工作变得更加错综复杂。

在开始针对上述课题提出各类解决方案之前，首先须考量分析高阶功率控制单元（APC）、硬体性能监视器（HPM）、动态电压调整（DVS）及自适应电压调整（AVS）等概念。

高阶功率控制器功能

《图一 高阶功率控制器示意图》

(图一)所显示的高阶功率控制器有以下几项功能︰

APC基本上是SoC功率管理的大脑。它能按照主机系统指令，在微乎其微没有软体的作用支援下，展现复杂的功率管理策略。 APC是一种完全合成的 IP，支援现有规格单元设计流程，这也包括扫描测试部分。

APC功率优化的原理，是来自于功率优化的原其可以选择晶片系统上SoC的MCU／CPU工作频率。 APC使用HPM或查阅列表数据，为MCU／CPU 决定最佳的电源电压，并且经由时脉管理单元，和PMIC与MCU／CUP进行相互作用，以对系统电压和频率转换定序，进而确保系统操作时的耗电，处于最低环境。 APC可被编程为多样的操作模式，以支援暂停CPU、待机或者关机的职能。如有必要，藉由PWI 用PMIC直接交流的方式，也是可行之道。此方案对于控制非功率的管理功能整合PMIC而言，也是非常有用的作法。

硬体性能监视器功能

HPM代表的是硬体性能监视器，它属于嵌入至高阶功率控制单元（APC）里的一个感测器单位。 HPM 生产的数据，可被APC根据目前所使用的工作频率，过程和温度，把MCU／CPU的电源电压调整成最佳工作电压状态。新一代多区域的SoC，可以包含多种电压域及数个MCUs／CPUs，或者内含其他逻辑功能。因此系统中可能有多个HPM，以便APC单独控制SoC的全部电源电压，使耗电降到最低。

有关电压调整的计算方式

CMOS耗电计算，是动态开关功率和漏泄功率之和︰

《公式一》

其中，C表示数位化系统中的开关电容，VDD是电源电压，f是开关时脉频率，A是开关活动因子，ILEAKAGE 是漏泄电流。

从以上方程式中分析，频率和电压调整都会影响开关或动态耗电，而且电压调整还会影响漏泄功率。但功率只是系统效率的其中一环，不是全部，影响终端电池寿命的真正关键，还是在于能源的消耗。能源消耗是功率随时间的积分反映出来，可透过下列简单的方程式计算︰

《公式二》

这里ETASK是表示任务能量，也就是在tTASK时间内，完成某项任务需要的电池供电量。一般而言，在数位化的处理器中，一项任务会对应若干数量的CPU时脉周期。这也是为什么，任务持续时间与处理器处理任务的频率会成反比的原因。因此，就能源或电池工作时间而言，显然只对频率调整提出解决方案，仍然无法有效达到省电的目的，因为频率调整只是简单地调整耗电。从公式中可以了解，电压调整是省电的关键，而频率调整只是将电压调整次数最大化的其一方法。

使用电压调整，会显著地影响最后的总功率和能源耗损。有两种主要方法可以用于电压调整︰动态电压调整（DVS）和自适应电压调整（AVS）。

动态电压调整DVS

DVS 技术是一种列表的方法，是把各频点与每个频点上运行所需的电源电压配对的方法。对每个时脉频率来说， 电源电压是由整个晶片处理过程的最差性能值和元件营运温度变化所决定。

(图二)显示一个DVS系统的框图。当系统任务管理器确定系统以低于最大频率运行于可接受的范围之内时，频率和电压就将发生变化。首先频率降低，接着，电源电压也随之降低。系统操作功率大幅降低，因为在功率方程式中，f 和VDD2都降低了。当系统任务管理器判定系统工作频率需要增加时，它首先向功率管理单元（PMU）发出改变电压的指令，接着时脉产生器就切换至更高的工作频率。更高电压所需的时间，可透过一个晶片上定时器（VDD_OK）来确定，或由系统调整，或由PMU上的一个旗标状态（flag）来确定。这时应该注意，采用动态电压调整DVS，对于固定电压系统而言，当系统以最大处理器时脉频率工作时，耗电并不会降低。

《图二 DVS系统框架图》

自适应电压调整AVS

AVS与DVS开环技术并不相同。 AVS技术能够让嵌入式计算系统，在各种工作频率（包括最大频率）下，实施接近最佳的运转耗电。在最大频率下工作的微控制单元的电源电压技术要求，是要能够确保最差晶片处理情况和最大工作温度条件下操作的正确性。但是，实际工作温度一般会低于最大工作温度，实际晶片处理 环境也要比最坏的情况来得好。因此处于最大频率之下的微控制单元，仍有降低电压的空间。开环DVS技术不能利用这一项特点，但是采用晶片上HPM回授讯息的AVS技术，便能利用这个机会，即使系统工作在最大频率之下，APC也可命令PMU降低电压。

由于HPM和微控制单元整合在一起，所以它采用与微控制单元相同的制程，并且在设备操作温度方面的变化完全一样。这样就可以将电源电压调节到与元件实际可接受限值内的接近值。

实作AVS如(图三)。它包括四个功能模组︰HPM、高阶功率控制单元APC、晶片上APC用来控制外部PMU的标准双线控制介面、PMU。这些元件组成一个可以在任何时脉频率、温度或矽制程拐点条件下，自动提供最低工作电压的系统。

《图三 实作AVS示意图》

APC使用来自HPM的输入讯息，判定电源电压是否可进行优化。 APC透过用来控制外部PMU的标准双线控制介面，发送电压调节指令送到PMU，然后PMU按照请求对电源电压进行调节。调节后的电压环境下，工作晶片的性能就由HPM不断进行监控。如果有进一步优化的机会，APC会再发出新的电压调节指令。 APC发出指令后，电源必须能够即时对其电压进行调节，以便AVS控制系统回授回路保持稳定。

延长电池寿命的高阶功率管理模式

在自适应或者动态的频率调整和电压调整的模式下，系统会要求时脉管理单元，为处理器或者硬体加速器提供最佳工作频率。当处理器或者加速器，正以低于最高时脉频率的环境下操作时，通常可能降低工作电压，并且将数位化逻辑的时序余量，保持在可接受的范围内。电压以及频率调整可大幅削减功耗，并且改进功率的效率。

如果在规定供应的电压下，操作所要求的频率时，是由APC决定看是以动态电压调整、还是由自适应的电压进行调整。动态电压调整（DVS）适用于开环控制系统的一套固定的频率和电压对（亦即查阅表）。在该系统中，当频率被改变时，电压将被转换成预设值。

相反地​​，自适应电压调整（AVS）适用于闭环电压控制系统，它采用一个晶片上的感测器，来判定最低可接受电源电压。两种模式都可以大幅地降低耗电，但是自适应电压调整（AVS）还可另外针对温度制程偏差及电压调节器的精度偏差，进行补偿。这使得AVS比DVS能更有效的控制电源电压，而达到效率的最佳化。

(图四)只显示三种电压调整计算法所能节省的能源比例。

《图四 三种电压调整计算法省能比例示意图》

比较DVS和AVS与传统的开关功率管理模式，处理器在执行任务期间，以全速运转，在处理两个任务之间，可进入闲置状态。在DVS模式中，处于任务完成的最后期限时，处理器的系统频率方面会被降低，同时电压也会被降低。与DVS相比，AVS系统使用与DVS相同的频率，但是由于AVS是闭环电路，即使在处理器全速运作时，该电压调整架构也可降低电源电压。在更低的频率下，AVS仍然可以实施额外的电压调整。这是因为AVS能补偿各种偏差。测量结果显示，在处理器全速运作情况下，AVS和DVS可使系统耗电降低30％到50％。

由此可知，固定电压、DVS 和AVS操作模式之间的耗电差别，将导致在这三种模式下，所累积的能源消耗效果大不相同。

功率管理与降低耗电的解决方案

至于如何在系统里，把正确的功率和电压供应到不同模组的细部做法，有以下数种。

《图五 功率管理与降低耗电的解决方案》

由上述图解中分析，功率管理和降低耗电的解决方案包括︰

整合功率控制单元与SoC

在这里，功率控制单元被称之为高阶的功率控制单元APC，在SoC上支援管理多个单独功率区域，采用最新功率管理计算法，例如自适应电压的调整或动态的电压调整，以频率调节和反向偏压的方式，来降低在SoC里的有效及漏泄功率。 APC则支援不同的操作模式，如SoC CPU上的待机和静止状态环境。

运用用来控制外部PMU的标准双线控制介面

控制外部PMU的标准双线控制介面是一种运用于即时功率管理而优化的开放式规格汇流排。藉由此介面，可让APC与连接至汇流排的功率管理ICs进行交流与控制，进而能即时有效地使系统功率最佳化。

功率管理IC与控制介面与PC相容

在最有效率的模式里，PMIC允许APC对SoC供电的电源电压，进行连续与即时的闭回路控制。这个闭回路控制是利用硬体性能监视器HPM，来测量处理器上可使用的性能。 APC会自动优化电源电压与系统所要求的匹配性能，因此可使耗电量减到最低。 （本文由National Semiconductor美国国家半导体提供）