单片机开发处理(lǐ)器的热管理(lǐ)

2020-12-30

微处理(lǐ)器系统中的热管理(lǐ)是确保有(yǒu)效执行工作流程的重要因素。工程师展示了如何通过优化处理(lǐ)器的硬件和软件级别来降低能(néng)耗。重点介绍了与特定应用(yòng)数据表中的值相比，该技术如何将能(néng)耗降低了46％。

在设计过程的最后，工程师经常会遇到能(néng)源管理(lǐ)问题，而小(xiǎo)尺寸的产品几乎没有(yǒu)散热片或风扇的空间，从而导致性能(néng)降低。

通过对整个系统行為(wèi)的深入分(fēn)析，可(kě)以定义最佳方法来克服保持有(yǒu)限的電(diàn)源预算和节省空间措施的潜在挑战。这可(kě)以通过查看处理(lǐ)器CPU负载数据，核心频率和结温来完成。能(néng)够提供一种优化处理(lǐ)器的方法，同时节省能(néng)源并最大程度地减少热量的产生。

静态和动态功耗

高处理(lǐ)频率对整个计算机系统的能(néng)耗施加了严格的限制。因此，应始终将每个设备的能(néng)耗降至最低。功率计算不仅决定電(diàn)源的规格，还决定最大的工作可(kě)靠性。

处理(lǐ)器的能(néng)耗通常分(fēn)為(wèi)静态能(néng)耗和动态能(néng)耗。静态功耗与流过器件的泄漏電(diàn)流相对应，并随温度線(xiàn)性变化。逻辑门的总泄漏電(diàn)流包括两个主要成分(fēn)：亚阈值和门泄漏。在CMOS数字電(diàn)路中，亚阈值泄漏電(diàn)流很(hěn)大，并且随着阈值電(diàn)压的降低呈指数增長(cháng)。

“静态能(néng)耗的有(yǒu)趣之处在于，它无法通过路径重复；您可(kě)以选择降低能(néng)耗的途径。”另一端的动态功耗或多(duō)或少与结温无关，但取决于CPU负载，CPU的平台和频率以及所使用(yòng)的外围设备。这意味着动态功耗取决于应用(yòng)。

动态功耗是通过考虑两个因素的总和来计算的：开关功率和短路功率。在对内部電(diàn)容和净電(diàn)容进行充電(diàn)或放電(diàn)时会消耗开关功率。短路功率是在门切换状态时，電(diàn)源電(diàn)压和地之间的瞬时短路连接所消耗的功率。

图1：温度对功耗的影响

解决方案

实际演示是使用(yòng)由工程师设计的两台单板计算机进行的。具有(yǒu)四核架构的T1042处理(lǐ)器被放置在每台单板计算机上，并且可(kě)以运行高达1.5 GHz。

一个处理(lǐ)器运行一个提供100％CPU负载的应用(yòng)程序。另一个是技术优化的处理(lǐ)器，它运行相同的应用(yòng)程序并提供50％的CPU负载。红外摄像机同时分(fēn)析这两个过程。摄像机图像显示在屏幕上。图1中描述了这种情况。

“从图2中的左侧处理(lǐ)器来看，我们的散热器温度约為(wèi)71°C，而右侧处理(lǐ)器的温度约為(wèi)59°C，相差约12°C，” 工程师说。“在接線(xiàn)柱上，我们发现两个工艺之间的结温仍然存在巨大差异。

他(tā)补充说：“如果我们详细研究能(néng)耗过程，这很(hěn)有(yǒu)趣，我们会发现这两个过程之间的差异在1.5和2 W之间，这是一个巨大的差异。”

工程师指出，此案例研究可(kě)以使T1042的功耗降低46％，与阅读T1042规范所期望的相比。

“与客户的深入讨论中，我们得出的结论是，他(tā)们的应用(yòng)程序不需要处理(lǐ)器的最大功能(néng)，” 工程师说。“实际上，客户担心数据表中的功耗数据（在高计算方案中列出的值）。因此，我们帮助他(tā)们缩小(xiǎo)了实际功率估算范围。之后，我们能(néng)够将其转化為(wèi)静态功耗限制，并同意交付符合此要求的零件。”

功耗是集成電(diàn)路的主要挑战之一。动态功率在CMOS電(diàn)路中占主导地位。由于電(diàn)流和负载容量充放電(diàn)的短路而引起的开关活动，会产生动态耗散。

较低的功耗（除了较高的带宽外）将是下一代处理(lǐ)器的主要因素。全球高速发展趋势要求新(xīn)的解决方案来优化能(néng)源管理(lǐ)。旨在降低动态功耗的一种技术涉及动态调整CPU中的電(diàn)压和频率。此操作称為(wèi)动态電(diàn)压和频率缩放（DVFS）。它受益于CPU具有(yǒu)离散的频率和電(diàn)压设置的事实。

工程师强调说，这种方法為(wèi)设计人员提供了一个机会，使他(tā)们可(kě)以将更大的处理(lǐ)器应用(yòng)于最初认為(wèi)由于功率限制而无法实现的应用(yòng)中。这使他(tā)们能(néng)够在系统中获得更大的计算能(néng)力裕度，以适应未来的用(yòng)例发展。他(tā)说：“对于工程师来说，这是另一项技术优势，同时也提高了我们与客户之间的亲密关系，”