Оптимизация энергопотребления портативных устройств

Расширение функциональных возможностей портативных устройств, как правило, сопровождается увеличением потребляемой мощно­сти. При этом разработка оптимального варианта их энергопотребле­ния становится довольно сложной задачей, решение которой представ­ляет собой компромисс между рядом факторов. Опыт показывает, что наилучший результат достигается тогда, когда вопросы управления энергопотреблением решаются на системном уровне.

А. Мельниченко

Когда на конференциях или в прессе обсуждаются вопросы управления энергопотреблением портатив­ных устройств, то иногда можно встретить фразы, возможно заимствованные из пьесы Шекспира “Мно­го шума из ничего”, например: “Если Вы хотите увели­чить время работы устройства, подключите к нему ак­кумулятор большей емкости” или “Если Вы хотите уменьшить потребление, отключите неиспользуемые функциональные узлы”. Не пора ли понять, что проб­лема управления энергопотреблением более сложна, чем кажется на первый взгляд?

При разработке системы энергопотребления пор­тативного изделия необходимо учитывать несколько факторов: потребляемую мощность, массу, выполня­емые функции, занимаемую нишу на рынке и др. И хо­тя в создании аккумуляторов и управлении потребле­нием появляются новые идеи, использование их в современных многофункциональных и недорогих электронных устройствах представляет собой слож­ную задачу.

В последнее время наблюдается увеличение плот­ности энергии аккумуляторов примерно на 10% в год, что дает ее удвоение каждые 8 лет. Естественно, сто­имость аккумуляторов также растет, так что цена еди­ницы энергии остается примерно постоянной.

Для увеличения количества энергии, отдаваемой аккумуляторами, производители иногда идут на неко­торые ограничения условий их применения (умень­шение скорости зарядки или разрядки, сужение диа­пазона рабочих температур и т.д.). Однако, для потре­бителя эти ограничения нежелательны.

Вследствие изменений, произошедших за послед­нее время в конструкции аккумуляторов, их начальная емкость с увеличением числа зарядно-разрядных циклов уменьшается быстрее, чем емкость аккумуля­торов предыдущего поколения. Одной из основных причин ограничения разрядного тока является растущее с увеличением числа зарядно-разрядных циклов внутреннее сопротивление аккумуляторов. И если из­делие производит хорошее впечатление на покупате­ля в момент его приобретения, то с течением време­ни ускоренный износ аккумулятора может стать ис­точником проблем.

Неоднократно случается так, что ограничение раз­меров изделия вынуждает использовать аккумулятор меньших габаритов, чем следовало бы, исходя из пот­ребляемой им мощности. Так, если два года назад в ноутбуках нередко использовали аккумуляторы ем­костью 70-80 А-ч, то в настоящее время типичным зна­чением является 30-40 А-ч. Аккумуляторы стали значи­тельно меньше, тем не менее, при наличии более мощ­ного процессора они должны обеспечить работу ноут­бука в течение 3-4 часов при одном цикле зарядки.

Необходимость управления потребляемой мощ­ностью возникла с появлением процессоров первого поколения. При напряжении питания 3.3 В потребляе­мый ими ток составлял около 200 мА. Построенные на них системы управления отличались рядом преиму­ществ: простотой изменения программы, возмож­ностью добавления новых функций и др. Однако пот­ребляемая ими мощность была слишком велика. Пе­риодическое отключение питания с целью уменьше­ния потребления в данном случае было неприемлемо, так как система управления должна иметь высокое быстродействие. Выходом из положения стало добав­ление в систему управления аппаратного акселерато­ра, что позволило уменьшить потребляемый ток в 10 раз. Правда, недостатком такого решения является невозможность оперативной модернизации системы.

Другим примером может служить замена про­граммного метода воспроизведения видеосигнала, записанного в формате MPEG4, его аппаратной реа­лизацией, что также привело к существенному сокра­щению потребляемой мощности.

Для уменьшения потребляемой мощности исполь­зуются различные способы. Некоторые их них приве­дены в таблице.

Построение системы управления энергопотреблением

На рис. 1 изображена блок-схема смартфона. Что­бы минимизировать потребление, его узлы должны иметь входы управления, с помощью которых воз­можно отключение неиспользуемых в данный момент потребителей энергии. Для этого могут быть приме­нены различные протоколы, такие как PMBus, SMBus, TI, SmartReflex, I²C и др.

Схема, иллюстрирующая более углубленный под­ход к построению системы энергопотребления, пока­зана на рис. 2. На уровне 4 этой схемы находится ин­терфейс пользователя и прикладная программа, ра­ботающая под управлением системы. Этот интер­фейс определяет состояние системы и динамически управляет потреблением, ориентируясь на действия пользователя. К примеру, система распознает про­цесс набора номера или определяет необходимость включения дисплея, а также изменяет интенсивность его подсветки в зависимости от интенсивности на­ружного освещения.

На уровне 3 находится системная программа – яд­ро архитектуры управления потреблением. Обмен ин­формацией с этой программой происходит посылка­ми, состоящими из управляющих и информационных блоков данных. Обычно этот уровень является инди­видуальным для конкретного типа изделия или фир­мы-изготовителя, хотя в процессе стандартизации можно достичь более открытого подхода к данному вопросу. Этот уровень обеспечивает управление по­треблением путем обработки информации, приходя­щей из различных функциональных узлов (уровень 1), а также от интерфейса пользователя (уровень 4). Уро­вень 2 содержит протоколы коммуникации между различными подсистемами изделия.

Рис. 1. Система управления энергопотреблением смартфона

Наконец, на уровне 1 находятся различные узлы изделия: процессор, память, аккумулятор, дисплей и др. Обеспечив возможность обмена информацией между ними с использованием стандартного протокола, можно организовать программное управление потреблением.

Трудности в обслуживании систем управ­ления потреблением обусловлены тем, что формат данных, которыми обмениваются функциональные узлы, индивидуален для каж­дого семейства изделий. Без стандартизации интерфейсов и протоколов обмена прогресс в управлении потреблением на системном уровне невозможен.

Рис. 2. Схема построения системы управления энергопотреблением

Стандартизация систем управления энергопотреблением – требование времени

В последнее время вопросы стандартизации систем управления потреблением на конферен­циях обсуждаются все чаще. И если при разработке изделий следующих поколений будет приме­няться системный подход, то, вероятно, настало вре­мя начать работы по унификации систем управления потреблением, что позволит сократить издержки про­изводства и сроки выхода изделий на рынок.

Разработка систем управления потреблением – это постоянный баланс между необходимостью до­стижения требуемого результата, сроками выхода на рынок и имеющимися в распоряжении разработчика источниками питания. Эта задача становится все бо­лее сложной, поскольку требования к размерам, массе, стоимости и производительности изделия стано­вятся определяющими. Для успешного ее выполне­ния необходимо иметь операционную систему, позво­ляющую осуществлять оперативное управление по­треблением большого числа функциональных узлов изделия. Стандартизация схем управления потребле­нием, пусть даже частичная, позволит разработчикам сосредоточить усилия на расширении функциональ­ных возможностей изделий, а не на разработке про­токолов обмена данными и интерфейсов для каждого устройства.