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美国北卡罗莱纳州立大学(NCSU)的研究人员们最近开发出一款新的软件，据称能够完全在应用处理器单元(APU)上管理所有的嵌入式系统电压调节，而不必诉诸昂贵的智能交换式电源供应器(SMPS)——这种本身带有微控制器(MCU)或应用处理器的SMPS虽然更高速，却超过实际需要，而且也只是确保了适度的性能。
今天，嵌入式系统使用专用微处理器——或速度过快的应用处理器，来确保供电电压可随降频与超频适度改变。透过在APU上使用中断驱动的软件途径，研究人员们 宣称可在降低BOM成本与功耗的同时提高了可靠度——根据NCSU教授Alexander Dean、Subhashish Bhattacharya以及现任英特尔电源管理架构师的Avik Juneja指出，以不到50美分的每组件成本，就能使效率提高90-95%。
“我们展示了如何在应用处理器的软件大整合SMPS控制软件，利用实时软件算法来降低系统成本以及减少电路板空间的方法。”该研究的作者群在报告中总结道：“这种的方法适用于广泛的软件任务调度，从简单的中断前台/后台系统，到复杂的占先实时核心，到实现节能的实时操作系统(RTOS)。”
于嵌入式系统设计者来说，使用应用处理器来管理系统的电压水平与频率速度并不是什么新鲜事。然而，根据Dean指出，过去一直无法证实标准化技术能够把工作做好，导致过度配置嵌入式系统。如今，NCSU的研究人员宣称为任何嵌入式系统设计者找到一种可实现节能省空间的简单方法，它完全不花冤枉钱，或者使用过度动力。
“其挑战在于了解应用软件可能会对SMPS控制回路带来多少延迟，以及这种延迟对于电压调节带来什么影响，”Dean说：“我们的方法降低了安全系数，迫使设计人员以过快的处理器过度配置。”
典型的嵌入式系统是由一个MCU以及多种外围设备(每一种都各有其电压要求)共同组成的
Source：NCSU
只要依照在在其报告中提供的蓝图，嵌入式设计工程师就能够确保为嵌入式系统降低成本与实现最低功耗。
“例 如，在我们的系统中，我们能以不到20微秒的计时误差，在应用处理器上可靠且可预测地执行电源控制器软件， ”Dean表示。“当然，你可以用2GHz的处理器而不需要我们的方法，也能在大部份的时间下顺利作业，但这并不带保证。使用我们的方法，你可以用更可负 担得起且节能的32MHz处理器，而保证系统可绐终如一地作业。”
NCSU的设计方法原理是复制任何RTOS中的可用技术，但并不要求使用RTOS，以便于实现像可穿戴设备之类的小型解决方案。
“我们的最大进展是使用来自实时系统的设计原则，并将电源转换器软件整合于嵌入式系统处理器中，”Dean表示。“这些方法确保嵌入式系统处理器上的其他软件 不至于干扰电源转换器的正确作业。这样，电源转换器本身就不必再使用单独的控制器或控制器电路，因而使整个系统更便宜。”
Dean还表示，MCU制造商应该将这些算法烧进其软件中，这样不仅节省开发时间(缩短上市时间)，同时也由于省下整个系统的价格，因而为其MCU提供了附加价值。
系统组件的作业电压范围变化相当大，但全部(黄线)使用3.3 V应该都能满足，而透过将作业电压降至最低，可望节省显著的功率
Source：NCSU
“MCU供应商可以开发韧体来执行SMPS控制回路(以及微调其硬件设计)，并提供给客户，以便实现高整合度以及降低整体系统成本，”Dean表示。
对于未来，Dean和Bhattacharya的目标在于调整其“死区控制”(dead-band control)机制，进一步与更多系统外围设备协同作业，包括直接内存访问(DMA)、模拟数字转换器(ADC)输出或输入上的数字比较器，以及模拟比较器等。根据研究人员表示，当与Cypress的PSoC以及微芯科技(Microchip)的核心独立周边设备(MCIP)共同搭配时，其关键在于进 一步降低应用处理器的负载。
“我们可以使用电流模式前馈控制和其他类似的途径来提高控制调节，”Dean说：“为了量身打造更佳设计，我们还计划在电源轨上更全面地表征组件的负载电流瞬变。”
针对使用低成本高效率恒流LED驱动器与马达控制器的照明应用，研究团队也计划尝试导入其新方法。
编译：Susan Hong
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