功率管理——每個設計師的責任

便攜式系統設計師對功率都非常“敏感”。他們需要努力節省每一毫瓦以延長電池壽命，從而延長系統的運行時間。但對于使用交流電源的嵌入式系統開發人員來說，功率管理并非那么重要。真的是這樣嗎？

事實上，不管是接入交流電源的系統還是便攜式系統，如今所有的嵌入式系統都必須智能地管理功率。功率管理非常重要，并且其重要性是與日俱增。設計師為何需要關注功率問題的理由已經非常多，并且還在不斷增加。例如，我們存儲的數據量每年都在急劇膨脹。為了處理所有這些數據，需要更新更快的服務器，而且多多益善。

更多服務器、甚至每個機箱內容納更多的刀片服務器都意味著對電源更高的功率要求。新增的服務器會產生更多的熱量，也就要求更好地冷卻處理，空調系統就會越來越昂貴。而且別忘了電力本身的成本也比以往要高。

因此為什么功率不是嵌入式系統開發人員的“首要”考慮因素呢？

“功率問題已經開始成為首要考慮因素了，”飛思卡爾半導體公司工程技術經理Rob Oshana表示，“歷史上，嵌入式系統的全部任務就是完成好對希缺資源的分配，如性能、內存和功率。但性能曾是關鍵品質，所以經常以犧牲功率為代價。”

也許更能說明問題的是功率管理設計有多難。從軟件開發和芯片設計方面看，性能通常比較容易管理。提高時鐘頻率是提高性能的簡易途徑，但它卻會加劇功率問題。

系統成本是另外一個考慮因素。降低系統功率就會減少風扇和散熱器的使用數量，這是使用較低功率的另一個極好的理由。

圖1：即時是接交流電的嵌入式系統，也并不意味著可以不關心功率管理問題。

隨著工藝技術的發展，設計師還需要對功率理解得更加透徹。隨著當前工藝水平的提高，在一些案例中甚至達到了45nm，漏電流正成為影響總體功率預算的主要因素。嵌入式系統開發人員需要密切關注功率方程中的有效成分。

Actel公司高級產品開發經理Tim Morin認為，需求將隨著時間而不斷改變。“你的計算需求在變化——它們總是在是變化。因此你如何能夠在不必改變環境的條件下取得更好的功耗/熱量耗散呢？你可以通過實現電源使用模型、理解有多少功率可用以及實際消耗多少功率來做到這一點。”

一些業界人士并認為開發人員在設計中忽略了功率因素。Luminary Micro公司的Jean Ann Booth認為，“功率因素經常在設計過程的早期就被考慮到了，而且這樣的做法越來越廣泛。接交流電源但對功率越來越敏感的嵌入式領域包括白色家電(如電冰箱、洗衣機、干燥機等)和HVAC。”

在過去幾年中我們在白色家電中見證的許多功率改進，大多是政府指令和激勵共同作用的結果，特別是美國聯邦政府贊助的能源之星計劃。但這些仍然不夠。

Booth認為，“除美國之外的每一個工業化國家都有相關的政府指令，要求對這類系統的功效進行改進。美國則選擇通過消費市場自身的力量和對能源之星等級的渴求來鼓勵能效改進。”

盡早并經常考慮功率問題

為什么在設計過程中盡早考慮功率因素如此重要？關鍵問題是能源消耗：全球對能源的消耗正在以驚人的速度增加。由于許多能源是從非再生資源(石油或煤)產生的，因此全球必須從越來越少的可用能源中壓榨出更多的“油水”。工程師可以通過提高設備的效率或降低其總體功率要求來達到節省功率的目的。

“提高效率”可以簡單地用更新更具能效的器件替代老器件實現。因為全球總能源的約70%消耗在運動類設備上，因此對這類設備的改進將明顯減少全球總的能源消耗。

飛思卡爾公司網絡與計算系統部的Don Shin指出，術語“功率”被使用過度了。“盡管功率對設計師而言確實是一個供應問題，并與FET、電容、電感之類的器件有關，但能源將更復雜，它決定了散熱策略、系統尺寸和長期消耗成本。工程師經常討論降低功率的問題，但他們真正討論的是降低能源以支持熱量、空間和成本約束。”

不管今天我們對功率的理解程度達到了何種水平，所有設計師都理解和同意功率管理是、并且今后也一直是高優先級的考慮因素。