计算、通信和消费类产品的发展趋势是在更小的外形因子中集成更多的功能,由此导致功率密度和功耗不断攀升。因此,大量电源管理协议和解决方案应运而生,旨在高效地完成从电源到负载的能量转换。
电源管理传统上的含义是指让设备安全地散发热量,现在受能量节约和环境保护等因素的驱动,它已经发展成为能量管理。鉴于电源和电源管理的重要性,业界已经启动许多项目,并开发了各种协议来解决这个问题。
在电源管理技术的最高层是高级配置和电源接口(ACPI),它是由康柏、英特尔、微软、Phoenix和东芝公司联合开发的一种开放式工业规范。ACPI为操作系统指导的配置以及笔记本电脑、台式机和服务器的电源管理建立了工业标准接口。
ACPI功率IC从银盒(指机箱电源)或交流适配器获得合适电压,然后根据操作系统通过逻辑输入施加给它的特殊命令,把输入电压转换成主板所需的各种系统电压。ACPI规范允许操作系统和硬件分别发展新的电源管理技术,同时确保它们能够在一起工作。
CPU是主板上最具挑战性的负载,工程师一般通过特殊的电压调节器来为之高效供电,如电压调节器模块(VRM)。这些调节器包括输出电压定位或动态电压调整等电源管理技术,能通过数模调节器自适应切换到低功耗模式。这种技术首先被用于台式机CPU,目前已经移植到笔记本电脑,而且在超便携式设备中也日益流行。
许多规范(包括一些专有规范)可以应对那些挑战。用于台式计算机的VRM规范详细规定了为每一代新CPU供电的架构、外部元件和协议。
为了进一步增强性能、降低功耗,笔记本电脑采用了一系列先进的电源管理技术。这些技术与上述VRM的技术类似,但走得更前。除了电压定位外,下面是笔记本电脑使用的其它电源管理技术:
- 轻负载操作:在轻负载情况下,电压调节器的开关损耗比阻抗损耗大,成为主导因素。出于这个原因,在轻负载时开关调节器的工作时钟频率应该下调。这可以自动完成,即当电流低于设置的电流阈值时切换到轻负载模式；或者可以通过微控制来实现,即采用一个数字输入信号轮流触发这两种操作模式。
- 按需时钟速度:控制笔记本电脑功耗最有效的方法之一是管理CPU的时钟速度和供电电压,因为功耗与频率和电压的平方成正比。不同CPU制造商提供了不同风格的技术。SpeedStep是英特尔用于移动CPU电源管理的技术,而PowerNow是AMD公司的专利技术。对于苛刻应用,如播放硬盘上的电影,CPU将获得最大的时钟速度和最高的供电电压,从而产生最大的功耗。另一方面,对于用键盘输入备忘录之类的轻度任务,功耗将显著下降。
与使设备内的功耗最小化不同,为了有效地从墙上适配器提取电源,首要考虑的是功率因素校正调节。当电气负载的输入电流与输入电压(交流线)相位同步且没有失真(正弦曲线)时,交流线的供电效率就可以达到最优化。
为了这个目的,欧洲标准IEC 6100-2-3规定了不同设备级别的谐波限制。
例如,所有功耗超过75W的PC必须具有等于或低于规定值的谐波数量。由于目前台式电脑的电源功耗为140W到300W,这意味着所有出售到欧洲的PC都必须符合这项标准。出于兼容性的考虑,全球其余地方也正纷纷跟随欧洲出台自己的标准。
对于更高的谐波,要求也相应更严格。不过,这些谐波具有较少的能量,因而更容易滤除。根据欧洲标准,允许的谐波电流最大输出功率在600W以上,这使得在更高功率时很难实现兼容性。
未来一些项目将致力于减少工作功耗,其中包括:
- 蓝色天使(Blue Angel):1977年德国成为全球首个使用生态标签(Eco Mark)的国家,与此同时,德联邦内务部长和环境部长首次发布了蓝色天使标签,以推广环保产品。
- 能源之星(Energy Star):1993年能源之星标签首次出现在个人电脑上。贴上能源之星标签的设备必须具有比同类产品更高的工作效率,同时能维持或提高性能不变或有改善。例如,一个300W的银盒在睡眠模式下的功耗不能超过20W,以满足能源之星对效率的要求(CFX12-V供电设计指南)。现在,许多产品都贴上了能源之星标签,从洗衣机、商用空调系统到住宅等。
- 1-Watt计划:1-Watt计划是国际能源机构(IEA)创立的,旨在把待机功耗降低到1W以下。该计划于1997年推出,最先被澳大利亚采纳。2001年7月,美国总统布什发布行政命令,要求联邦政府采购低待机功耗、特别是1W以下的产品,从而进一步增强了IEA组织的影响力。
作者:Reno Rossetti
计算与超便携产品部战略总监
飞兆半导体公司
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