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嵌入式技術  

新式軟體可在APU上調節電壓

上網時間: 2015年09月16日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:軟體  演算法  APU  SMPS  RTOS 

美國北卡羅萊納州立大學(NCSU)的研究人員們最近開發出一款新的軟體,據稱能夠完全在應用處理器單元(APU)上管理所有的嵌入式系統電壓調節,而不必訴諸昂貴的智慧交換式電源供應器(SMPS)——這種本身帶有微控制器(MCU)或應用處理器的SMPS雖然更高速,卻超過實際需要,而且也只是確保了適度的性能。

今天,嵌入式系統使用專用微處理器——或速度過快的應用處理器,來確保供電電壓可隨降頻與超頻適度改變。透過在APU上使用中斷驅動的軟體途徑,研究人員們宣稱可在降低BOM成本與功耗的同時提高了可靠度——根據NCSU教授Alexander Dean、Subhashish Bhattacharya以及現任英特爾電源管理架構師的Avik Juneja指出,以不到50美分的每元件成本,就能使效率提高90-95%。

「我們展示了如何在應用處理器的軟體大整合SMPS控制軟體,利用即時軟體演算法來降低系統成本以及減少電路板空間的方法。」該研究的作者群在報告中總結道:「這種的方法適用於廣泛的軟體任務調度,從簡單的中斷前台/後台系統,到複雜的佔先即時核心,到實現節能的即時作業系統(RTOS)。」

於嵌入式系統設計者來說,使用應用處理器來管理系統的電壓水平與時脈速度並不是什麼新鮮事。然而,根據Dean指出,過去一直無法證實標準化技術能夠把工作做好,導致過度配置嵌入式系統。如今,NCSU的研究人員宣稱為任何嵌入式系統設計者找到一種可實現節能省空間的簡單方法,它完全不花冤枉錢,或者使用過度動力。

「其挑戰在於瞭解應用軟體可能會對SMPS控制迴路帶來多少延遲,以及這種延遲對於電壓調節帶來什麼影響,」Dean說:「我們的方法降低了安全係數,迫使設計人員以過快的處理器過度配置。」


典型的嵌入式系統是由一個MCU以及多種週邊裝置(每一種都各有其電壓要求)共同組成的
(來源:NCSU)

只要依照在在其報告中提供的藍圖,嵌入式設計工程師就能夠確保為嵌入式系統降低成本與實現最低功耗。

「例如,在我們的系統中,我們能以不到20微秒的計時誤差,在應用處理器上可靠且可預測地執行電源控制器軟體, 」Dean表示。「當然,你可以用2GHz的處理器而不需要我們的方法,也能在大部份的時間下順利作業,但這並不帶保證。使用我們的方法,你可以用更可負擔得起且節能的32MHz處理器,而保證系統可紿終如一地作業。」

NCSU的設計方法原理是複製任何RTOS中的可用技術,但並不要求使用RTOS,以便於實現像可穿戴式裝置之類的小型解決方案。

「我們的最大進展是使用來自即時系統的設計原則,並將電源轉換器軟體整合於嵌入式系統處理器中,」Dean表示。「這些方法確保嵌入式系統處理器上的其他軟體不至於干擾電源轉換器的正確作業。這樣,電源轉換器本身就不必再使用單獨的控制器或控制器電路,因而使整個系統更便宜。」

Dean還表示,MCU製造商應該將這些演算法燒進其韌體中,這樣不僅節省開發時間(縮短上市時間),同時也由於省下整個系統的價格,因而為其MCU提供了附加價值。


系統元件的作業電壓範圍變化相當大,但全部(黃線)使用3.3 V應該都能滿足,而透過將作業電壓降至最低,可望節省顯著的功率
(來源:NCSU)

「MCU供應商可以開發韌體來執行SMPS控制迴路(以及微調其硬體設計),並提供給客戶,以便實現高整合度以及降低整體系統成本,」Dean表示。

對於未來,Dean和Bhattacharya的目標在於調整其「死區控制」(dead-band control)機制,進一步與更多系統週邊裝置協同作業,包括直接記憶體存取(DMA)、類比數位轉換器(ADC)輸出或輸入上的數位比較器,以及類比比較器等。根據研究人員表示,當與Cypress的PSoC以及微芯科技(Microchip)的核心獨立周邊裝置(MCIP)共同搭配時,其關鍵在於進一步降低應用處理器的負載。

「我們可以使用電流模式前饋控制和其他類似的途徑來提高控制調節,」Dean說:「為了量身打造更佳設計,我們還計劃在電源軌上更全面地表徵元件的負載電流瞬變。」

針對使用低成本高效率恆流LED驅動器與馬達控制器的照明應用,研究團隊也計劃嘗試導入其新方法。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Software Regulates Voltage in Everyday APUs,by R. Colin Johnson)





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