嵌入式系统电源管理实现对比

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引言

普适计算、智能空间等概念前所未有地扩展了嵌入式系统的应用范围。同时也对嵌入式系统的功能、可靠性、成本、体积、功耗提出了更严格的要求。各种移动终端、可穿戴设备、消费类电子产品、传感器网络节点等典型嵌入式设备对能耗越来越敏感，电源管理技术正成为这些产品设计的关键所在。电源管理技术正由传统的基于电源管理器件和外设控制为主的静态控制方式，转到以具备智能电源管理功能的嵌入式微处理器结合操作系统为核心的智能管理软件的动静态结合的综合控制模式。

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为了应对电源管理技术面临的挑战，芯片厂商推出了效率越来越高的电源管理芯片以及对能耗管理功能更加强大、精细的微处理器。以此为基础，如何设计高效、智能的系统软件对嵌入式设备进行能源管理，已成为研究热点。本文将以典型硬件的电源管理功能为基础，分析几种代表性嵌入式操作系统的电源管理实现，探讨电源管理系统软件现状及研究应用前景。
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) s3 O9 E# N% \6 D$ w电源管理基本概念与方法

在电池供电的嵌入式系统中，一般采用高效率的电源管理芯片用于供电管理，或采用大容量的电池以解决能耗需求。但这两种技术的发展还无法满足快速增加的芯片动态功耗和静态功耗。当电路工作或逻辑状态翻转时会产生动态功耗，未发生翻转时漏电流会造成静态功耗。在供电电压Vdd下消耗的功率P如公式(1)所示：

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P=C*V2dd*fC+VddIQ (1)

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这里C为电容，fC为开关频率，Vdd为电源电压，IQ为漏电流。C*V2dd*fC为动态功耗；VddIQ为静态功耗。随着芯片运行速度的提高和工艺尺寸的不断缩小、密度增加，其动态功耗和静态功耗也在不断增长，加剧了电源管理的复杂性。

有一种方法可以协调高性能与低功耗之间的矛盾，就是根据系统负载进行性能调节。从公式(1)中我们可以得知，对一个给定负载，动态功耗的量值与供电电压的平方成正比，与运行频率成正比。减少供电电压并同时降低处理器的时钟速度，功耗将会呈平方速度下降，代价是增加了运行时间。此外，还可以通过停止芯片模块的时钟和电源供应的办法，将能耗降至最低，代价是重新启动该模块时需要额外能耗。因此，通过有效地利用上述能耗管理方法，得到性能和功耗间的最佳平衡，达到节能最大化。
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