44 | Insight Electronics#1/2•2008
ECO-designs med COM
Energispareteknikker for Compute Den som ønsker energieffektive design med lav tapseffekt, basert på Computer-on-Modules (COM), bør være omhyggelig ved valg av COM-løsning og eget design. På grunn av mangfoldet i applikasjonsspesifikke krav finnes det tallrike kriterier som kan føre til gode eller dårlig ECO-design. Dr.-Ing. Christoph Stark, R&D Hardware Kontron Embedded Modules GmbH
COM-systemenes energieffektivitet har stor betydning ikke bare ved mobile applikasjoner men ved samtlige embedded-applikasjoner: På grunn av normer og krav til omgivelser kan mange industrielle applikasjoner ikke drives uten tilpasset tapseffekt. Fullstendige kapslinger, begrenset rom, dårlige klimaforhold, høyt MTBF, vibrasjonsfasthet og evt. ingen roterende deler samt mange andre faktorer, krever allerede fra gammelt av et ECO-design. At et COM er utviklet for embedded computing er ikke ensbetydende med at det er et passende og vellykket ECOCOM. Det samme gjelder for det til enhver tid nødvendige og dedikert utviklede baseboard. Bedømme COM-standarden mht. energi Valg av rett COM-standard er av stor betydning for et optimert ECO-design. Den definerer forsyningsspenningen, som har eksplisitt innflytelse på systemenes tapseffekt: Ved chipsettets gitte effektbehov (P) bestemmes strømstryken (I) av forsyningsspenningen (U). Samtidig avhenger tapseffekten (PV)
Dr.-Ing. Christoph Stark, R&D Hardware Kontron Embedded Modules GmbH
ved korrekt design og ved enhver motstand, induktivitet, kondensatorer og transistorer hovedsaklig av strømmens kvadrat. Formelen PV ~ I² gjelder her, og den nødvendige effekt P leverer strømmen I=P/U. På grunn av sine forskjellige forsyningsspenninger må de tilbudte løsninger som ETXexpress/ COM Express og ETX derfor vurderes forskjellig hva energi angår. Tabell 1 viser de enkelte løsningers fordeler og ulemper mht. deres energetiske muligheter, se figur 1 energetisk vurdering av COMstandardene. Denne enkle sammenlikning viser at det er relevant, hvilken COMløsning man bruker til et ønsket chipsett og en dedikert applikasjon. Hvis man ekstrapolerer beregningen for alle komponenter i en COM og et baseboard viser det seg, at utviklere bør teste de forskjellige COM reelt på forhånd, for å kunne foreta et fornuftig valg. Dette kan gjøres med en vanlig effektmåler ved sammenlignbare testbetingelser. Ved slike tester er det viktig å overholde identisk omgivelsestemperatur, bruk av sammenlignbare RAM-brikker, deres taktfrekvens, andre lagringsmedia – og ikke minst at testen utføres med den samme programvaren. Dessuten må man sørge for identiske monteringsbetingelser, fordi strømforbruket ved elektronikkomponenter på silisiumbasis øker merkbart ved stigende omgivelsestemperaturer, og også den kjølende luftstrømmen må være sammenlignbar. Intelligent powerdistribusjon reduserer tapseffekten Powerdistribusjonen er i tillegg til riktig valg av passende COM-standard for low/mid-power eller high-performance en avgjørende faktor for et vellykket ECO-design. Avhengig av applikasjonen må primærforsyningsspenningen generere opptil åtte eller flere forskjellige spenninger. I denne
Figur 1
sammenheng oppstår det hver gang en uunngåelig tapseffekt. Optimering av rekkefølgen til spenningene som må produseres, og kvaliteten på de anvendte regulatorer, koblingstransistorer, spoler og kondensatorer, gir bemerkelsesverdige innsparingspotensialer. Til organisering av forsyningsspenningen brukes koblingsregulatorene og de lineære regulatorene. Figur 1 viser et eksempel på strukturen for powerdistribusjonen av et COM-modul. For den lineære regulator fremkommer tapseffekten PV av følgende forhold: PV = (inngangsspenningutgangsspenning)*utgangsstrøm. Koblingsregulatorens tapseffekt beregnes ut fra effektiviteten h på arbeidspunktet og utgangseffekten PO. Her gjelder relasjonen PV=PO*(1/ h - 1). In en slik kobling kan tapseffekten angis og optimeres vha. utveksling av reguleringsmetode og evt. spenningskontaktenes rekkefølge for hver regulatortyp, se figur 2. BU:: Temaet Intelligent Power Distribution for redusert tapseffekt er komplekst og må ikke undervurderes. Dette fremgår tydelig av den eksemplariske koblingsplan for alle mulige spenninger og koblinger på en COM. Energisparemodus – minimert effektopptak ved «tomgang» En ytterligere viktig energisparefunksjon er omfattende implementering av standby-modusen Suspend-to-RAM (S3). Ved idealløsningen suspendto-RAM «cold» er kun en del av standby-spenningen for opprett-
holdelse av RAM-innholdet aktiv. Alle andre komponenter er strømløs (cold). I denne tilstand er det viktig at også hovedspenningen til strømforsyningen kobles ut. Hele apparatet skal kun forsynes med suspend-spenning fra strømforsyningen. Modusen Suspend-to-RAM «hot» er enklere å bruke, men langt mindre effektiv. I så fall er samtlige spenninger i powerdistribusjonen fortsatt tilgjengelig, og/ eller strømforsyningen er i full drift, hvilket medfører unødvendig høy hvilestrøm og tapseffekt. Utviklere bør derfor passe på at powerdistribusjonen og ACPI-funksjonen (Advanced Computing and Power Interface) er godt integrert i COM-en og i standby-modusene. For effektiv energisparing er det i denne sammenheng like viktig at brukeren benytter funksjonen hyppig. Ved bruk av standby-modus er systemets brukervennlighet svært avgjørende: Ved siden av automatisk aktivering av suspend-modus ved idle-tider hos brukeren/programmet er også en hurtig manuell omkobling til normaldrift svært positiv for energisparing. Kun ved rask reaksjon aktiveres og nyttes sparefunksjonen av brukeren. Ingen orker å vente. Dermed må man vurdere hvilke funksjoner som skal koblet ut når og hvordan, for å oppnå en samlet optimal energispareeffekt. COM-er og baseboards som ikke støtter S3 er i hvert fall ikke førstevalget. Batterieffektivitet hos mobile systemer I mobile applikasjoner gjelder alle ovennevnte punkter potensiert. Hver