CN103605421A - 一种便携式计算机功耗最小化的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种便携式计算机功耗最小化的设计方法，其具体实现包括以下步骤：设置高效率电源转换电路，选用DC-DC电源转换芯片和分析脉宽调制电路模型；设置智能风扇，即根据处理器温度调整风扇转速；部分硬件的低功耗选择；设置屏幕自动调节，该自动调节包括自动关屏和亮度自动调节。该一种便携式计算机功耗最小化的设计方法和现有技术相比，整机功耗降至最低，延长电池的使用时间，满足便携式计算机设备的移动办公需求，实用性强，易于推广。
Description
技术领域
本发明涉及计算机技术领域，具体的说是一种便携式计算机，尤其是军用计算机的功耗最小化设计方法。
背景技术
目前功耗已经逐渐成为集成电路设计中考虑的关键因素。功耗的增大至少带来三方面的问题:能源消耗的费用将增加，依靠电池供电的各类军用计算机及其通信设备将面临困境，电路的过热将引起系统性能不稳定。一般而言，电子组件的寿命随工作温度升高而寿命减少(增加10℃而寿命减少一半)。可见降低整机功耗，已经成为笔记本行业一项重要指标。
从节约能源的角度看，降低功耗也成为十分迫切的问题。随着电脑的广泛普及，装机量急剧上升，其总耗电量已不容忽视。此外，随着电子仪器的小型化，笔记本电脑、手提电话等各种便携式电子产品对电路功耗提出了新的要求;尤其是用电池供电的系统，更需考虑电路的功耗问题。移动通讯、军用计算机和移动式多媒体电子产品等已成为增长率最高的产品之一，形成了巨大的市场;它们的应用往往受到电池寿命的限制，而电池寿命/容量的改进极为有限;因此，功耗自然成为制约这些应用的关键指标。为达到尽可能延长军用计算机工作时间的目的，在设计时必须想方设法控制系统功耗，基于此，现提供一种便携式计算机功耗最小化的设计方法。
发明内容
本发明的技术任务是解决现有技术的不足，提供一种便携式计算机功耗最小化的设计方法。
本发明的技术方案是按以下方式实现的，该一种便携式计算机功耗最小化的设计方法，其具体实现包括以下四个步骤：
一、设置高效率电源转换电路，选用DC-DC电源转换芯片和分析脉宽调制电路模型：
军用计算机主要电源为分析脉宽调制电路，通过对其电路分析，细化电路工作过程，逐级分析拓扑结构中不同元器件工作过程中的电流、电压与阻抗变化，然后以数学建模方式逐步计算不同元器件在工作过程中的无用功率损耗；分析脉宽调制电路主要拓扑结构是由MOS、电感、电容组成；
二、设置智能风扇，即根据处理器温度调整风扇转速：
在主板上控制风扇的控制芯片通过I2C总线监控处理器温度，通过程序编写将处理器温度转变成相应的占空比，由控制芯片将占空比以PWM信号反馈给风扇，实现风扇动态调节，这里的风扇调节包括：当整机负载变大造成处理器温度升高时，会提高风扇转速将温度降下来，处理器温度变低则相应的降低风扇转速；
三、部分硬件的低功耗选择：
液晶屏选用LED背光屏；硬盘选用低功耗电子盘；锂电池选用大容量锂电池，以满足电池续航时间要求；
四、设置屏幕自动调节，该自动调节包括自动关屏和亮度自动调节，其中
自动关屏实现过程为：采用霍尔传感器感应合盖操作：当屏幕盒盖角度达到30°以下时，屏幕下方的磁铁通过电磁感应，触发主板上的霍尔传感器产生电平变化，通过主板上的控制芯片来实现屏幕背光关闭功能；
屏幕亮度自动调节的实现过程为：当笔记本整机由电源适配器供电时，主板控制芯片通过侦测引脚侦测到AC电源，默认输出占空比为80%的控制信号给操作系统，屏幕亮度将由操作系统控制在80%亮度输出；当从电源适配器切换到电池供电时，主板控制芯片首先判断系统供电状态变化，然后根据事先定义的屏幕调节策略，将PWM信号的占空比调整到20%，此时操作系统会把屏幕亮度调节到20%亮度输出，从而现实在电池供电模式下增加续航能力；当笔记本开机，操作系统闲置一段时间，无任何操作的情况下，屏幕亮度变为20%亮度输出，再过一段时间，可由操作系统和主板控制芯片合作将屏幕背光关掉进入休眠模式。
在设置智能风扇时，在控制芯片上烧录热能管理程序，即设置若干风扇转速等级，当处理器达到设定的最高温度时系统强制关机。
本发明与现有技术相比所产生的有益效果是：
本发明的一种便携式计算机功耗最小化的设计方法采用高效率电源转换电路、智能风扇技术、部件选型以及屏幕亮度调节技术来控制便携式计算机的功耗，通过有效电源管理，达到系统功耗的最小化，延长电池的使用时间，实用性强，适用范围广泛，易于推广。
附图说明
附图1为本发明中的脉宽调制电路图。
附图2为本发明中处理器温度与风扇转速曲线图。
附图3为本发明中屏幕亮度调节流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一种便携式计算机功耗最小化的设计方法作以下详细说明。
便携机工作环境要求计算机便携使用，由电池提供供电，因而如何控制便携机功耗，成为设计的关键技术。功耗控制技术在对整机功耗的控制上至关重要，必不可少，通过有效的电源管理，以达到系统功耗的最小化，从而尽可能的延长电池的使用时间，以满足移动办公需求。
如附图2、图3所示，本发明提供一种便携式计算机功耗最小化的设计方法，其具体实现包括以下四个步骤：
一、如附图1所示，设置高效率电源转换电路，选用高效率DC-DC电源转换芯片和分析脉宽调制电路模型，保证各电源转换效率均在90%以上, 降低电源系统本身功耗。
军用计算机主要电源为分析脉宽调制电路，通过对其电路分析，细化电路工作过程，逐级分析拓扑结构中不同元器件工作过程中的电流、电压与阻抗变化，然后以数学建模方式逐步计算不同元器件在工作过程中的无用功率损耗。分析脉宽调制电路主要拓扑结构是由MOS、电感、电容组成，电路的整体数学模型的建立基于这三种元器件在工作过程中的单个数学模型组建。
针对三种元器件功率损耗分析如下：MOS的损耗分解为开关损耗，导通损耗以及寄生电容功率损耗，基于具体的损耗建模组建MOS功率损耗模型；电感的损耗分解为：其一为磁芯相关损耗，即传统的铁损，其二为电感绕组线圈损耗，即所谓的铜损，而磁芯损耗又分为磁滞损耗，涡流损耗以及剩余损耗，基于各部分损耗建模组成电感功率损耗数学模型；电容的损耗分解电容损耗，寄生电阻损耗，寄生电感损耗，通过对电容各部分的损耗进行建模组建电容损耗的数学模型。通过构建验证平台，以具体的实验数据为依据，验证数学模型评估结果与实际结果差异，修正模型，最终构建精确模型，以此提出高效率电源设计的实现方法。
二、设置智能风扇，即根据处理器温度调整风扇转速：
风扇动态调节技术，根据处理器温度调整风扇转速达到节能的目的。风扇转速调节是系统进行热源管理的有效方式，通过制定合理的风扇转速控制机制，达到系统散热及热保护的目的。风扇转动提供足够的解热作用，保证笔记本主板上各元器件温度工作在其规格之内，及时解除处理器上发出的热量，使处理器工作在正常的温度范围之内。风扇的转速和处理器的温度是相互调节的，也是在互相调节中达到一个动态平衡。
主板上控制芯片通过I2C总线时时监控处理器温度，通过程序编写将处理器温度转变成相应的占空比，由控制芯片将占空比以PWM信号反馈给风扇，实现风扇动态调节，用以达到降低功耗之要求。当整机负载变大造成处理器温度升高时，会提高风扇转速将温度降下来，处理器温度变低会相应的降低风扇转速，从而达到节能的要求。
关于控制芯片要烧录的热能管理程序，我们共定义5个风扇转速等级，若处理器达到设定的105度时系统会被强制关机，防止温度过高导致的硬件损坏。处理器温度与风扇转速曲线图如图2所示：
0°C--35°C：1500rpm
35°C--45°C：1500rpm
45°C--55°C：2500rpm
55°C--65°C：3500rpm
65°C--75°C：4500rpm
75°C--85°C：5500rpm
85°C--105°C：5500rpm
105°C以上：温度过高关机。
三、部分硬件的低功耗选择：
液晶屏选用低功耗LED背光屏；硬盘选用低功耗电子盘；锂电池选用大容量锂电池，以满足电池续航时间要求。
四、如附图3所示，设置屏幕自动调节，该自动调节包括自动关屏和亮度自动调节，其中T1、T2时间为用户在操作系统下自定义时间。
自动关屏实现过程为：采用霍尔传感器感应合盖操作：当屏幕盒盖角度达到30°以下时，屏幕下方的磁铁通过电磁感应，触发主板上的霍尔传感器产生电平变化，通过主板上的控制芯片来实现屏幕背光关闭功能；
屏幕亮度自动调节的实现过程为：当笔记本整机由电源适配器供电时，主板控制芯片通过侦测引脚侦测到AC电源，默认输出占空比为80%的控制信号给操作系统，屏幕亮度将由操作系统控制在80%亮度输出；当从电源适配器切换到电池供电时，主板控制芯片首先判断系统供电状态变化，然后根据事先定义的屏幕调节策略，将PWM信号的占空比调整到20%，此时操作系统会把屏幕亮度调节到20%亮度输出，从而现实在电池供电模式下增加续航能力；当笔记本开机，操作系统闲置一段时间，无任何操作的情况下，屏幕亮度变为20%亮度输出，再过一段时间，可由操作系统和主板控制芯片合作将屏幕背光关掉进入休眠模式。以上时间用户可以在操作系统下面自行进行设置。
以上所述仅为本发明的实施例而已，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种便携式计算机功耗最小化的设计方法，其特征在于其具体实现包括以下四个步骤：
一、设置高效率电源转换电路，选用DC-DC电源转换芯片和分析脉宽调制电路模型：
军用计算机主要电源为分析脉宽调制电路，通过对其电路分析，细化电路工作过程，逐级分析拓扑结构中不同元器件工作过程中的电流、电压与阻抗变化，然后以数学建模方式逐步计算不同元器件在工作过程中的无用功率损耗；分析脉宽调制电路主要拓扑结构是由MOS、电感、电容组成；
二、设置智能风扇，即根据处理器温度调整风扇转速：
在主板上控制风扇的控制芯片通过I2C总线监控处理器温度，通过程序编写将处理器温度转变成相应的占空比，由控制芯片将占空比以PWM信号反馈给风扇，实现风扇动态调节，这里的风扇调节包括：当整机负载变大造成处理器温度升高时，会提高风扇转速将温度降下来，处理器温度变低则相应的降低风扇转速；
三、部分硬件的低功耗选择：
液晶屏选用LED背光屏；硬盘选用低功耗电子盘；锂电池选用大容量锂电池，以满足电池续航时间要求；
四、设置屏幕自动调节，该自动调节包括自动关屏和亮度自动调节，其中
自动关屏实现过程为：采用霍尔传感器感应合盖操作：当屏幕盒盖角度达到30°以下时，屏幕下方的磁铁通过电磁感应，触发主板上的霍尔传感器产生电平变化，通过主板上的控制芯片来实现屏幕背光关闭功能；
屏幕亮度自动调节的实现过程为：当笔记本整机由电源适配器供电时，主板控制芯片通过侦测引脚侦测到AC电源，默认输出占空比为80%的控制信号给操作系统，屏幕亮度将由操作系统控制在80%亮度输出；当从电源适配器切换到电池供电时，主板控制芯片首先判断系统供电状态变化，然后根据事先定义的屏幕调节策略，将PWM信号的占空比调整到20%，此时操作系统会把屏幕亮度调节到20%亮度输出，从而现实在电池供电模式下增加续航能力；当笔记本开机，操作系统闲置一段时间，无任何操作的情况下，屏幕亮度变为20%亮度输出，再过一段时间，可由操作系统和主板控制芯片合作将屏幕背光关掉进入休眠模式。
2.根据权利要求1所述的一种便携式计算机功耗最小化的设计方法，其特征在于：在设置智能风扇时，在控制芯片上烧录热能管理程序，即设置若干风扇转速等级，当处理器达到设定的最高温度时系统强制关机。
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