將效率轉化成更長的電池使用時間

本文作者:admin       點擊: 2007-04-09 00:00
前言:
工程師們已經花了很長的工時在使可攜式PC應用領域上的電池使用時間得以延長,而此事乃是由對其龐大的價值有所認知的行銷經理們在推動。根據一項由Intel最近所做的研究中指出,電池使用時間目前位居筆記型電腦購買者最重要標準清單中的第三名,而其在五年前還只是位居很後面的第八名而已。

然而,對於大多數的設計工程師來說,要如何使電池使用時間能夠最有效延長的問題依然存在。對於系統內部的負載以及電壓調節器的效率若只有簡單的了解,是不足以面對為現今筆記型電腦所設定之目標所帶來的挑戰。能夠動態改變施加於處理器上的電壓以及在不同的運作模式下降低整體系統的耗電量等複雜的方法都是目前所採用的對策。對於這些降低功耗的技術以及在這些動態條件下其對電壓調節器所產生的衝擊,設計工程師都必須要有充分的瞭解才行。單獨的進行靜態效率量測,是不足以做為電壓調節器性能之良好指標的,這也就是說設計工程師必須要在所欲設計的應用領域上,對其常用的使用形式加以分析,同時也要對其調節器的效率與電源的損耗能夠有通透的瞭解。經歷過一次常用形式週期的動態條件,將可以引領設計工程師得以開發出能夠同時監測靜態與動態電源消耗狀態的系統,並對電池的使用時間予以最佳化。

相對於其他的電源管理技術,改善效率的潛在好處為何?
典型的筆記型電腦中會使用三串二並(3S2P)的電池組,其可以提供大約每小時50瓦的電力,對於一般使用者來說,大約等於四個小時的電池使用時間。大概有十到十五個百分比的電源消耗是由於電壓調節器的效率所直接造成的。因此,藉由電源管理來達成改善電壓調節器的效率以及降低負載點上的電源損耗,是有著很大機會的。

目前的微處理器需要消耗超過30個百分比的有效電源(active power),並且會產生三倍於前次所生成的漏電流(leakage current)。因此,系統設計工程師必須要使用很複雜的休眠模式來降低運作電壓以及減少漏電流,這是一個行之多年應用於核心處理器上的成功方法,而目前也被應用在其它像是圖形處理器的系統上。

設計工程師也會使用雙核心處理器來減少電源的消耗。雙核心處理器能夠在較低的電壓與運作頻率下達到相同位準的性能,這是因為兩個處理器能夠共同分擔工作負荷。

系統內的其他部分也在進行電源損耗的降低。舉例來說,LCD背光板的平均電源損耗已經從五瓦降到了三瓦。隨著工程師們搜索每個角落與縫隙,以找出延長電池使用時間的方法,能源的節約將會是一個持續性的趨勢。

效率 - 要在什麼樣的運作條件下量測?
在典型的筆記型電腦中,電壓調節器會在無氣流狀態下,以接近周遭環境的溫度~介於攝氏45到50度之間運作,雖然設計工程師是在室溫下的開放環境中進行測試。因此,在這兩種環境之間必須要有一種轉化機制存在。

設計工程師也必須要決定其設計成品將要在何種電壓以及電流下運作。通常筆記型電腦的整流器會提供19伏特的輸出,而典型的處理器電壓調節器會以1.25伏特下高達45安培之電流來驅動輸出。在最大功率(PMAX)下的最糟溫度條件可以用這些典型的條件來進行評估,但是其將無法對潛在的系統電池使用時間提供更深入的觀察。筆記型電腦的設計工程師必須要對在所有運作條件下的效率都加以考慮用以決定電池使用時間的最佳化輸入電壓是介於每個電池3.3到3.7伏特之間。在一個3S2P電池組中,與其相對應的電壓則是介於9.9到11.1伏特之間,而在該電池組的大半放電週期內,其輸出電壓都將會維持在此狀態。電池組效率的量測應該要在電壓調節器能夠正常運作的滿載範圍內進行。電壓調節器效率的測試也應該要包括休眠模式的電壓以及電流位準,以便讓設計工程師可以瞭解系統中該元件的靜態性能。

想要將峰值負載與輕微負載的效率最佳化,設計工程師也需要對典型的使用形式進行分析。受到溫度設定目標的驅使,設計工程師早已經對滿載狀態下的效率予以最佳化,然而卻犧牲了電池的使用時間。對於最常在中等功率位準下運作的系統而言,若能在較低的功率位準下具有最高的效率可能是比較有利的。負載較輕的效率在系統的電池使用時間上可能也扮演了一個很顯要的角色。舉例來說,假設有一個典型的40瓦處理器,百分之九十的時間都是以低於0.5瓦的狀態運作。設計工程師可以藉由將電壓調節器的效率從50提高到90個百分比,藉以增加10分鐘的電池使用時間。

電源監測的狀況
在對電池的使用時間進行最佳化時,瞭解使用的形式是相當重要的,但是在動態負載的條件下,電壓調節器可能無法達到所期望的平均效率。一個微處理器就意味著一組電壓與電流持續在改變的動態負載(參見圖示)。處在這些動態負載的條件下,是無法對調節器的效率進行良好的定義或是測試的。因此,處理器在狀態與狀態之間改變的速率將會對調節器的平均效率產生衝擊。而設計工程師必須要有一個能夠對這些動態條件所造成的衝擊進行分析的方法。

當工程師執行複雜的程式,以便量測在典型的使用者設定檔下之電池的使用時間時,有一個可以瞭解電源損耗的更好方法,就是將可使用軟體控制的電源監測系統加以整合,以便主動的監測系統內的每個負載。這個方法使得單一筆記型電腦能夠對會使電池使用時間受到負面影響的條件加以反應,並據此修改每個負載的性能。其資訊也可以被記錄下來,好讓設計工程師能夠更進一步的瞭解在所有運作條件下的電源損耗情況。

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