簡介

 

電池供電類設備存在已久。然而自手機問世以來
，由可充電電池供電的設備數量在過去二十年呈現出指數級增長。截至2018年
，成千上萬種型號的手機、平板電腦、筆記本電腦和許多其他小型電器都在使用鋰電池。

 

對於所有便攜式設備而言，功耗都是一個至關重要的因素。硬件開發人員越來越注重在增加功能、減小尺寸、降低成本的同時，實現低功耗方案。軟件開發人員也以舊算法為切入點，針對操作係統領域（即通過能量監測調度）和新興領域（例如機器學習），研發新的功率監測方法，力求降低功耗。功率是指瞬時消耗的能量。如公式1所示，在電學中，功率等於瞬時電壓與電流之積。功率單位為瓦特（W），表示“焦耳每秒”。

 

P=V×I    [W= Js]

 

公式1 - 功率公式

 

nengliangdengyugonglvyushijiandechengji。dianluxiaohaonengliang，dianchizecunchunengliang。gonglvguanlitongchangshizhiguanlishunshidianliuhedianya

，yimanzugonglvchuanshunenglihefuzaitiaojian。nengliangjiancetongchanghuitigongyouguannenghaodexinxi，congerbangzhukaifarenyuanjinxingdianchiguanlihezongtigonglvjizhunceshi。tongguozhuanmenshejideruanjian（可根據特定負荷采取相應操作）監視能量時
，即開始了主動能量管理。

 

主zhu動dong能neng量liang管guan理li可ke以yi基ji於yu預yu定ding義yi的de設she置zhi自zi動dong進jin行xing，也ye可ke以yi在zai軟ruan件jian啟qi動dong時shi手shou動dong進jin行xing，其qi作zuo用yong是shi為wei用yong戶hu提ti供gong特te定ding的de建jian議yi。例li如ru，大da多duo數shu筆bi記ji本ben電dian腦nao在zai使shi用yong電dian池chi而er不bu是shi交jiao流liu電dian源yuan運yun行xing時shi
，處chu理li器qi性xing能neng會hui自zi動dong降jiang低di
，並bing且qie改gai用yong低di功gong耗hao、dixingnengdejichengtuxingchuliqi，erbushiyongzhuanyongchuliqi。keyiguanbibijibendiannaodeyixiewaishe
，yiyanchangdianchigongdianshijian，eryonghuyekenengshoudaojiangdipingmuliangduhuotiaoanjianpanbeiguangdetongzhi。daduoshuzhinengshoujidoutigonggezhongjienengxuanxiang
，dangdianchidianliangjiangzhitedingshuipingshi，zhudongnengliangguanlibianhuitichushiyongjienengxuanxiangdejianyi，baokuoguanbiyixiexianyoudehulianwanglianjie、降低屏幕亮度等。

 

但(dan)類(lei)似(si)情(qing)況(kuang)並(bing)不(bu)限(xian)於(yu)電(dian)池(chi)供(gong)電(dian)設(she)備(bei)。服(fu)務(wu)器(qi)會(hui)仔(zai)細(xi)監(jian)測(ce)功(gong)耗(hao)和(he)負(fu)荷(he)水(shui)平(ping)，以(yi)確(que)定(ding)是(shi)否(fou)可(ke)以(yi)完(wan)全(quan)停(ting)止(zhi)或(huo)暫(zan)停(ting)某(mou)些(xie)服(fu)務(wu)。在(zai)虛(xu)擬(ni)服(fu)務(wu)器(qi)中(zhong)，可(ke)根(gen)據(ju)電(dian)流(liu)總(zong)用(yong)量(liang)和(he)基(ji)於(yu)統(tong)計(ji)信(xin)息(xi)預(yu)測(ce)的(de)用(yong)量(liang)增(zeng)加(jia)和(he)縮(suo)減(jian)應(ying)用(yong)。對(dui)於(yu)這(zhe)類(lei)服(fu)務(wu)器(qi)
，可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)虛(xu)擬(ni)機(ji)管(guan)理(li)程(cheng)序(xu)完(wan)全(quan)關(guan)閉(bi)某(mou)些(xie)虛(xu)擬(ni)機(ji)。進(jin)行(xing)調(tiao)試(shi)時(shi)，也(ye)可(ke)以(yi)使(shi)用(yong)主(zhu)動(dong)能(neng)量(liang)管(guan)理(li)。能(neng)量(liang)監(jian)測(ce)可(ke)提(ti)供(gong)非(fei)常(chang)有(you)效(xiao)的(de)信(xin)息(xi)，用(yong)以(yi)確(que)定(ding)整(zheng)個(ge)係(xi)統(tong)或(huo)部(bu)分(fen)係(xi)統(tong)是(shi)否(fou)在(zai)界(jie)定(ding)範(fan)圍(wei)內(nei)運(yun)行(xing)。

 

用於測量直流功率和能量的電路

 

如(ru)前(qian)文(wen)所(suo)述(shu)，電(dian)功(gong)率(lv)是(shi)電(dian)壓(ya)與(yu)電(dian)流(liu)的(de)乘(cheng)積(ji)。要(yao)精(jing)確(que)測(ce)量(liang)功(gong)率(lv)，需(xu)要(yao)對(dui)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)進(jin)行(xing)精(jing)準(zhun)測(ce)量(liang)。在(zai)一(yi)定(ding)時(shi)段(duan)內(nei)測(ce)量(liang)功(gong)率(lv)並(bing)將(jiang)結(jie)果(guo)累(lei)加(jia)，即(ji)得(de)到(dao)能(neng)量(liang)。功(gong)耗(hao)在(zai)大(da)多(duo)數(shu)情(qing)況(kuang)下(xia)都(dou)不(bu)是(shi)恒(heng)定(ding)值(zhi)
，因(yin)此(ci)
，必(bi)須(xu)使(shi)用(yong)一(yi)個(ge)選(xuan)定(ding)測(ce)量(liang)帶(dai)寬(kuan)
，在(zai)此(ci)範(fan)圍(wei)內(nei)對(dui)電(dian)壓(ya)和(he)電(dian)流(liu)進(jin)行(xing)測(ce)量(liang)。直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)測(ce)量(liang)電(dian)路(lu)的(de)一(yi)個(ge)典(dian)型(xing)示(shi)例(li)是(shi)圖(tu)1左側所示的簡單分壓器和右側圖1suoshidehuanchongfenyaqi。zhelianggedianludoukeyitongguoshidangdexiaozhuntigonggaojingduceliangjieguo
，jinguandaihuanchongdefenyaqibibudaihuanchongdefenyaqijiageanggui，danqianzhetongchanggonghaogengdi，youqishiheceliangjididezhiliuxinhao。

雖然借助霍爾效應也可以測量電流（包括直流電流），但(dan)本(ben)文(wen)側(ce)重(zhong)於(yu)使(shi)用(yong)分(fen)流(liu)電(dian)阻(zu)測(ce)量(liang)直(zhi)流(liu)電(dian)流(liu)，因(yin)為(wei)後(hou)者(zhe)更(geng)常(chang)用(yong)而(er)且(qie)費(fei)用(yong)更(geng)低(di)。分(fen)流(liu)電(dian)阻(zu)是(shi)一(yi)個(ge)低(di)阻(zu)值(zhi)電(dian)阻(zu)，與(yu)電(dian)路(lu)串(chuan)聯(lian)。電(dian)流(liu)流(liu)經(jing)分(fen)流(liu)電(dian)阻(zu)時(shi)，分(fen)流(liu)電(dian)阻(zu)兩(liang)端(duan)會(hui)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)小(xiao)的(de)壓(ya)差(cha)。該(gai)壓(ya)差(cha)與(yu)電(dian)流(liu)成(cheng)正(zheng)比(bi)
，如(ru)公(gong)式(shi)2所示，並且通常使用運算放大器進行放大。

 

VDROP=RSHUNT×I

 

公式2 - 分流電阻兩端的壓差

 

由於分流電阻與電路的其餘部分串聯，因此可以連接在任意一側：上橋臂（分流電阻的一個端子直接連接總線電壓），或者下橋臂（分流電阻的一個端子接地），如圖2所示。在這兩種情況下，分流電阻都會出現一個小的壓差

，電路的總電壓會降低。但是，分流電阻的連接位置會有一些影響：

 

-如果分流電阻放在下橋臂（圖2右側），其qi兩liang端duan的de電dian壓ya將jiang直zhi接jie接jie地di。由you於yu分fen流liu電dian阻zu通tong常chang很hen小xiao

，其qi兩liang端duan的de壓ya差cha也ye很hen小xiao，因yin此ci電dian流liu測ce量liang電dian路lu使shi用yong便bian宜yi的de低di壓ya運yun算suan放fang大da器qi即ji可ke非fei常chang方fang便bian地di放fang大da壓ya差cha。這zhe對dui於yu縮suo減jian成cheng本ben很hen有you幫bang助zhu。但dan下xia橋qiao臂bi分fen流liu有you一yi個ge明ming顯xian的de不bu足zu，即ji整zheng個ge電dian路lu不bu再zai直zhi接jie接jie地di，而er是shi連lian接jie高gao於yu接jie地di端duan電dian壓ya的de位wei置zhi。分fen流liu電dian阻zu兩liang端duan的de壓ya差cha通tong常chang以yi毫hao伏fu計ji。

 

-如果將分流電阻連接在上橋臂（圖2左側），zedianluzhijiejiedi
，kexiaochudidanfanshexiaoying。ruguoyaoduidianlujinxingjingquecelianghuobixutigongjingquedeshuchu
，zeyingxuanyongcilianjiefangfa。cifangfadeweiyiquedianshixuyaoshiyongdianyagenggaodechafenyunsuanfangdaqidianlu，bingqieshiyunsuanfangdaqidedaikuanerding，feiyongyekenenghuizengjia。

 

 

圖2 - 電流測量電路

 

盡管電壓
、dianliushenzhigonglvbenshendoukeyitongguomonidianluqingsongceliang，erqiechengbenhendi，dannengliangceliangquexuyaoshiyonggengfuzadedianlulaishixian。raner，chuantongdenengliangceliangfangfashishiyongmonidianluceliangdianyahedianliu，ranhoushiyongmoshuzhuanhuanqi（ADC）將(jiang)模(mo)擬(ni)信(xin)號(hao)轉(zhuan)換(huan)為(wei)數(shu)字(zi)信(xin)號(hao)，將(jiang)數(shu)據(ju)輸(shu)出(chu)到(dao)單(dan)片(pian)機(ji)。單(dan)片(pian)機(ji)的(de)作(zuo)用(yong)是(shi)對(dui)信(xin)號(hao)隨(sui)時(shi)間(jian)累(lei)加(jia)的(de)功(gong)率(lv)進(jin)行(xing)采(cai)樣(yang)

，從(cong)而(er)實(shi)現(xian)能(neng)量(liang)測(ce)量(liang)。測(ce)量(liang)能(neng)量(liang)的(de)典(dian)型(xing)電(dian)路(lu)如(ru)圖(tu)3所示。在測量電路中增加單片機既有優點也有缺點。一方麵
，在算法計算、監視不同行為和進行更詳細的報告方麵具有很大的靈活性，例如每小時、每天等。此外

，單片機的作用不僅限於能量測量，還可以觸發事件

、運行自定義狀態機或滿足工程師的任何需求。而如果係統原本就需要使用單片機
，則成本和物料清單（BOM）的增加並不是問題。另一方麵，使用單片機監測能量的缺點則是測量係統的總功耗、令人討厭的代碼開發工作和開銷成本都會增加
，而且視精度要求而定
，有時可能還需要外部ADC。

 

 

圖3 - 典型的能量測量電路

 

多年來，隨著業界對直流能量監測功能的需求不斷增長，多種麵向此類應用的集成電路相繼問世。例如Microchip的PAC1934集成電路。此類集成電路隻需使用分流電阻作為外部元件，即可輕鬆地同時對多達4個通道進行采樣。基本電路圖如圖4所示。電路中集成了運算放大器、ADC
、算術運算邏輯
、存儲器和用於連接係統的標準接口（通常為I2C或SPI）。與傳統方法相比
，使用集成電路的優勢在成本方麵尤為明顯
，這是因為在一個集成電路中集成了能量測量所需的一切
，使BOM和PCB尺寸顯著降低。

 

 

圖4 - Microchip PAC1934框圖（可同時測量4個通道）

 

主動能量監測的優勢

 

憑借適合大多數用例的靈活配置，專用集成電路能夠以極低的功耗在長時段內累加功率。通常，功率采樣率最低為每秒8次采樣
，最高可達1 KSPS。例如，PAC1934以8 SPS運行時
，可以累加超過36小時的功率，並且電流小於16 mA，同時4個通道全部有效且以16weidefenbianlvyunxing

，wuxuruanjianganyu。cifangfayunxucaiyanglvdongtaibianhua，congerkeyikuodayingyongfanwei。liruzaibiaozhunbijibendiannaozhongshiyongjichengdianlujiancedianyuangui。dangbijibendiannaochuyuyunxinghehuodongzhuangtaishi，nenggouyi1024 SPS的采樣率進行監測，而當筆記本電腦處於掛起狀態時，監測速度可能降到8 SPS
，因為在掛起狀態下，功耗不會有太大的波動。此外，降低采樣率可以減少能量監測的功耗，而不會影響性能。

 

zhudongnengliangjiancezuichangjiandeyigeyonglishidianchidianliangjiliang。zhuanyongjichengdianlukejiancedianchidedianyahedianliu，suishihuozhidangqiandianchidianliang。gengxianjindedianchidianliangjihaikeyijiancedaodianchiyudaoletedingwenti
，lirudianliangjikeyigenzongdianchidedianyayudianliangdeguanxi，ruguoerzhezhijianbuzaiyouduiyingguanxi
，zeyiweizhedianchidezongrongliangyinlaohuahuoqitayinsuersuojian。zhudongnengliangjianceyeshibiaozhundianchiguanlixitong（BMS）的核心。BMS是多節電池組所使用的電路，負責對電池組進行安全充電和放電，並主動測量其電壓和電流，確保每節電池的參數都相同。BMS的功能還包括檢測故障電池，或在電壓過高或過低時斷開電池組。

 

主動能量監測的另一個常見應用是與智能手機和平板電腦上的操作係統以及筆記本電腦
、計算機和服務器上的Linux®或Microsoft Windows®搭da配pei使shi用yong。對dui於yu智zhi能neng手shou機ji和he平ping板ban電dian腦nao，操cao作zuo係xi統tong通tong過guo各ge種zhong方fang法fa監jian測ce不bu同tong服fu務wu和he應ying用yong程cheng序xu所suo消xiao耗hao的de電dian量liang。在zai早zao期qi階jie段duan，係xi統tong不bu直zhi接jie測ce量liang能neng量liang


，而er是shi使shi用yong表biao格ge數shu據ju獲huo取qu各ge個ge工gong作zuo點dian的de功gong耗hao，基ji於yuCPU
、GPU和屏幕使用情況估算能量。估算出的能耗數據以統計數據的形式報告
，便於用戶決定如何進一步操作設備。自Windows 8起，Microsoft在筆記本電腦和個人計算機中引入了能量估計引擎（Energy Estimation Engine，E3）。E3早期階段的工作原理與智能手機中的估算算法類似，能夠根據各種資源的使用情況（處理器、圖形、磁盤
、存儲器
、網絡和顯示器等）來估算每項任務的功耗，從而實現功耗跟蹤。E3還引入了能量計量接口（EMI），係統製造商可以通過該接口為係統添加實際可用的能量測量傳感器，並進行相應聲明。如果加入了此類傳感器，E3會hui利li用yong這zhe些xie傳chuan感gan器qi準zhun確que地di測ce量liang功gong率lv和he能neng量liang，而er不bu是shi隻zhi進jin行xing估gu算suan。某mou些xie筆bi記ji本ben電dian腦nao製zhi造zao商shang已yi在zai其qi產chan品pin中zhong實shi現xian了le這zhe些xie功gong能neng。此ci外wai
，過guo去qu還hai存cun在zai一yi些xie其qi他ta的de方fang法fa（例如Sony在Vaio筆記本中實現的能量監測），但沒有支持這些方法的操作係統，隻有專有應用程序才能訪問相關數據。Linux尚未提供與Microsoft E3相當的工具，但據報道稱，他們已著手進行相關工作。工業I/O子係統[1]支持在操作係統中加入各種傳感器，為用戶空間的應用程序提供非常簡單且功能強大的接口（基於文件的接口）。然而，在本文撰寫之時，工業I/O子係統仍是內核的擴展

，而不是默認Linux架構的組成部分。Linux還支持能量監測調度[2]和智能功率分配

，這是一種用於嵌入式Linux領域的算法，可幫助係統決定如何調度不同的任務
，同時對熱問題予以考量（能耗導致CPU/GPU發熱）。

 

能量測量集成電路的另一個值得關注的應用，是對USB功率和能量（出於各種原因）[3]以(yi)及(ji)在(zai)服(fu)務(wu)器(qi)應(ying)用(yong)程(cheng)序(xu)中(zhong)的(de)使(shi)用(yong)情(qing)況(kuang)進(jin)行(xing)監(jian)測(ce)，如(ru)本(ben)文(wen)第(di)一(yi)部(bu)分(fen)所(suo)述(shu)。由(you)於(yu)服(fu)務(wu)器(qi)采(cai)用(yong)不(bu)間(jian)斷(duan)運(yun)行(xing)的(de)設(she)計(ji)，因(yin)此(ci)監(jian)測(ce)能(neng)耗(hao)有(you)很(hen)多(duo)好(hao)處(chu)
，例(li)如(ru)可(ke)通(tong)過(guo)主(zhu)動(dong)服(fu)務(wu)控(kong)製(zhi)提(ti)高(gao)總(zong)體(ti)電(dian)源(yuan)效(xiao)率(lv)，能(neng)滿(man)足(zu)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)的(de)能(neng)效(xiao)標(biao)準(zhun)[4]
，允許係統管理員在服務器的某些部分出現功耗異常（表示未來可能發生故障）時執行預測性維護。

 

總結

 

jiunengliangjiancedexuqiuyijixitongxuyaozhixingdeqitagongnengerlun，mouxiefangfakenengbiqitafangfagengshiyong。ruguoqianrushixitongshigenjuzishenyongtuzhuanmengoujian，bingqiexuyaolejiezishengonghaohuogusuannenghao，zechuantongfangfagengshiyong。womenhaijianyizaidanpianjizhongjiaruneibuADC，yibianzuidaxiandusuojiannengliangjiancegongnengdechengben。caiyongzhezhongfangfa，zhixuyaoshiyongjinxingdianyahedianliujiancedewaibumonidianlu。ruguoxuyaofeichanggaodeceliangjingduerbujiBOM成本和功耗，則傳統方法比集成電路更適用。

 

danzaihenduoqingkuangxia
，gengshihecaiyongjichengdianlufangfa。liru，ruguoxiangyaozaicaozuoxitongzhongjichengnengliangceliang，jiushihecaiyongjichengdianlufangfa
，yinweijichengjiejuefanganjiushiweijiejuezheyiwentiergoujian，tongguoshidangdequdongchengxu，xitongnengzidongshibiechunengliangceliangbingzhidaoruhecaozuo。nengliangceliangjichengdianlutongchangkeyiceliangduogetongdao（從而監測多條總線）
，因此，在需要監測大量總線時，集成解決方案具備明顯優勢。此外，同一條通信總線上可以使用多個集成電路（例如I2C或SPI）。另ling一yi個ge更geng適shi合he采cai用yong集ji成cheng解jie決jue方fang案an的de情qing形xing是shi，在zai係xi統tong處chu於yu功gong耗hao極ji低di的de睡shui眠mian模mo式shi或huo完wan全quan關guan閉bi的de情qing況kuang下xia，在zai較jiao長chang的de一yi段duan時shi間jian內nei測ce量liang能neng量liang。集ji成cheng的de能neng量liang監jian測ce芯xin片pian僅jin消xiao耗hao極ji少shao的de功gong率lv，並bing能neng在zai特te定ding時shi段duan內nei自zi行xing累lei加jia能neng量liang，無wu需xu任ren何he係xi統tong幹gan預yu，而er這zhe正zheng是shi實shi現xian集ji成cheng解jie決jue方fang案an的de基ji礎chu。

 

對於有較高尺寸要求的高度集成化和密集型PCB（例如手機、平板電腦或筆記本電腦的主板）
，與等效的分立元件相比，集成電路占用的空間顯然更小。例如
，在WLCSP（晶圓級芯片封裝）尺寸的芯片（大小為2.225 x 2.17 mm）中
，包含一個能同時監測四個通道的能量測量集成電路。

 

[1] https://www.kernel.org/doc/html/v4.16/driver-api/iio/index.html

[2] https://developer.arm.com/open-source/energy-aware-scheduling

[3] 功率計示例：https://www.jeffgeerling.com/blog/2017/review-satechi-usb-type-c-inline-power-meter-st-tcpm

[4] https://www.energystar.gov
（來源：Microchip
，作者：Adrian Lita）