服务器功耗

服务器功耗（共9篇）

服务器功耗 篇1

1 引言

服务器规模庞大, 能耗开销大, 资源异构多样, 用户群体广泛, 应用任务类型各异, QoS目标约束要求各不相同, 云计算系统时刻都要处理大量的用户任务和海量数据。如何对云系统中的资源进行合理分配管理, 使得海量用户服务请求均能在一个相对较短的响应时间内完成, 同时确保云计算系统的资源利用率较高且整体负载水平相对均衡, 成为了云计算领域中的一个研究热点和技术难点。本文针对现有研究策略所存在的缺陷, 设计并提出了功耗性能层级资源调度控制架构, 并对集群级功耗控制层系统建模。

2 集群级功耗控制层架构

集群级功耗控制层是多层级控制架构中的主控制层, 基于集群级的功耗控制而设计架构, 每个集群一个集群级功耗控制层。集群级功耗主控制层的主要设计实现原理如下:在集群级功耗控制过程中, 通过功耗控制器提供一个接口, 根据从上一控制周期得到的各服务器对各自响应时间数据的反馈情况, 对各台服务器按需分配集群功率, 即给不同服务器分配不同的功率分配权重, 并通过动态电压和频率调节 (DVFS) 来调整每台服务器的CPU频率, 从而使集群级功耗控制器能动态控制集群内部所有服务器的整体功耗, 在满足硬件本身的功率、CPU频率限定的范围内, 实现对集群功率资源的合理分配, 使集群电力功耗能够被充分有效的利用, 并实现保证服务质量并有效降耗的目的。在集群级功耗控制层中包括集群级的功耗控制器和功耗监控器 (万用表) , 服务器级的CPU频率调节器, 以及虚拟机级的QoS监控器 (主要负责监控应用响应时间) 。

3 集群级功耗控制层系统建模

基于控制理论原理, 可以得到第i台服务器的功耗模型如下:Power (k+1, i) =Power (k, i) +ai△f (k, i) , 其中ai是一个广义参数, 其具体值会因服务器系统和工作负载的不同而变化。系统模型中, 控制目标是在某一设定时间内 (即控制周期内) , 保证Powertotal (k) 收敛于Powerset, 模型的准确性已经通过伪随机数字白噪声输入验证, 总功耗Powertotal (k) 则是指所有服务器的功耗之和, 即, 可得集群级总功耗控制系统模型如下:Powertotal (k+1) =Powertotal (k) +A△f (k) 其中, A={a1, a2……an}, △f (k, i) ={△f (k, 1) , △f (k, 2) ……△f (k, n) }。

摘要：随着大数据时代的到来, 消费者对企业级集群服务器的需求也越来越大, 随之而来的集群功耗与服务质量的协调控制管理问题也变得越来越迫切。为此, 针对现有研究策略所存在的缺陷, 设计并提出了功耗性能层级资源调度控制架构, 并对集群级功耗控制层系统建模。

关键词：集群功耗,服务质量,调度策略建模

参考文献

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低功耗平台 篇2

HP 345 G2在外观设计上与HP 350 G1基本相同，只是屏幕尺寸略有差别，银灰色的上盖搭配黑色机身，居中的银色“hp”标志给庄重大气的整体风格增添了一丝灵动色彩，虽然这个标志没有像一些高端机型那样采用LED背光的设计，但是在黑暗中也依然醒目。HP 345 G2采用14英寸LED屏幕，同样是1366×768的分辨率就显得像素密度高于HP 350 G1，看上去更加清晰锐利。键盘的布局并没有像HP 350 G1笔记本那样提供单独的数字小键盘区，触摸板的位置也是基本居中的，看上去显得更自然，使用起来也更加舒适。

送测的这款HP 345 G2笔记本采用AMD A4-6210处理器、4GB DDR3内存和750GB硬盘，属于相对经济务实的配置方案；我们拿到的这款产品无论是在Windows系统属性里，还是借助第三方软件，都无法显示CPU的具体型号，我们根据惠普网站上的选配信息结合着CPU-Z软件中读取的一些具体参数，推断出它是基于Mullins核心的新款APU——A4-6210。HP 345 G2笔记本采用了独立显卡的配置——Radeon R5 M240，但是我们尝试了多个版本的AMD催化剂驱动程序，都无法正常地安装驱动程序的控制面板（硬件能够被正确识别），因此无法确定这块独立显卡是否能与APU中的核显进行交火。我们给出的几项测试结果，都和3D图形的性能关系不大，因此数据还是有参考价值的。

HP 345 G2还是一款功能完备的笔记本，它不仅提供了DVD刻录机的配置，而且在I/O端口的设计上也还算比较到位，机身左侧包括一个VGA和一个HDMI视频输出接口、一个千兆以太网接口和两个USB 3.0接口；机身右侧则包括一个USB 2.0接口和二合一的音频接口；机身前端还设计了多合一的读卡器，拥有比较全面的数据交互能力。HP 345 G2笔记本配备了一颗41Wh的四芯电池，从容量上来说并不算大，PCMark 8的Work Battery life测试成绩也只有4小时左右，显得与低功耗平台的身份不太相称。当然PCMark 8的电池测试机制与我们常用的MobileMark 2012并不相同，续航时间的测试结果难免会有一些偏差。

服务器功耗 篇3

功耗对于集成电路的进一步发展起着至关重要的作用,尤其对于集成电路更加精密化的设计来说,如果功耗问题难以解决,那么对于更精密更微小的集成电路的研制是个非常大的阻碍。因此,对集成电路的功耗估计和降低电路功耗问题已经在各个领域中得以开展。本文在介绍了集成电路的功率损耗研究背景下,首先对低功耗技术的应用进行了诠释,进而介绍了集成电路总功耗的估计方法,最后介绍了在集成电路上进行低功耗设计的方法。

1 低功耗技术综述

系统中的功率损耗大多是由于集成电路的的工作时的功率损耗,它主要包括集成电路的供电电压,工作频率,电路性能,外部环境,接口技术等。

系统的功率效率取决于软、硬件设计决策与应用系统工作性能的匹配程度。低功耗机制并不只是针对电池供电设备的设计约束条件,它也是许多高性能有线系统的一个主要考虑因素。在嵌入式设计中使用的处理器的功耗可能只占系统总功耗预算的较小一部分,但你对系统和软件体系结构的抉择可能会对总的处理性能、功率消耗和电磁干扰(EMI)性能产生重大影响。对电池供电的系统而言,较低的总功耗可能意味着你的设计得益于更长的电池寿命,亦即能使你选用较小的电池来减少系统的体积、重量和成本。

对一些系统来说,通过降低功率的损耗可以减少系统对散热的过度依赖,这种系统通常自身不会发出很多的热量。这种系统不仅放出的热量少而且发出的噪音也会很少,这是由于这些系统对风扇散热的需求较少,因此其风扇的功率相对较小,从而使得不会发生大风扇造成过度噪音的状况。这些系统在功率达到最高点的时候功率损耗小,能够承受高功率对器件承受力的影响,从而增强系统的性能。

集成电路的功耗可以分为静态功耗和动态功耗。静态功耗是指在集成电路不工作时发生的功率损耗,尽管电路在静止状态下产生功率损耗较小,但是由于系统中电路数量庞大因此不容忽视。尤其对于长时间处于不工作状态的系统中,其静态功耗的积累变得不可忽视。静态功耗的原因是三极管PN结反向偏置产生的漏电流,在PN结上产生功率的损耗。虽然漏电流很小,但是由于集成电路中大量的反向偏置产生的漏电流的累积,有可能造成器件的发热。降低漏电流大小的方法是完善器件的工艺处理以及降低器件的供电电压,例如现在大多数器件都采用3.3V以取代传统5V供电电压。这些漏电流广泛存在于系统的核心芯片以及外围电路中,对核心芯片的主要影响是造成芯片的过度发热,可能造成工作状态的错误,对外围电路的功率损耗则会造成系统整体上的功率损耗,造成能源的浪费。动态功耗指的是电路在工作过程中产生的信号的变化引起,动态功耗与系统的供电电压,频率等有关。在长时间处于运行中的系统中动态功耗占主要部分,静态功耗可以忽略,动态功耗可以用P=CFU来进行粗略的计算,这其中C是开关电容,F为开关频率,U是电源电压。动态电容在系统中是由系统自身所影响,主要由系统的生产工艺水平造成的,当系统硬件部分已经成型后,基本不可能发生根本性的变化。而电源电压对动态功耗的影响较大,随着电源电压的提升,动态功耗呈现出直线型的提高。并且随着系统开关频率的提高,在单位时间内工作次数的增加也会造成系统动态功耗的提高。

2 集成电路功耗估计

集成电路功耗估计可以用下式表示 :

( 3-1)

其中,P为集成电路总功率的损耗,C是系统的节点电容, UDD为集成电路系统的供电电压,f为系统的工作频率,

是系统状态切换的参数,即单位周期内系统状态变化的平均次数,QSC 为每次转换过程中瞬间发生短路时电流中含有电荷的数量,Ileak 为系统开关管的漏电电流。

在公式 (3-1) 中,代表电路的工作状态发生变化时产生的功率损耗,也就是节点电容在状态变化时对电流中电荷的充放电造成的功率消耗的大小,尤其在工作状态变化频繁的工作电路中,这种由于工作状态变化产生的功率损耗占了主要的部分 ; 指的是系统发生短路时产生的功率损耗,这是由于系统发生短时的二极管或者三极管PN结瞬间导通产生的损耗,尽管这部分损耗发生的时间很短暂,但是由于短路电流很大,因此此损耗也不可忽视。指的是系统泄漏电流造成的损耗,也就是系统的静态损耗,在系统工艺水平基本固定的前提下,考虑降低系统的供电电压,尤其在长时间处在静态状态下的系统中,这种静态损耗不可忽视。由上面的分析我们可以知道,若是想降低集成电路的动态损耗,一方面可以通过降低节点电容和系统供电电压的大小、并且在不需要特别精密的计算的前提下降低系统的工作频率,另一方面可以通过降低系统节点的阈值,从而在静止状态下降低系统的静态损耗,尤其是系统泄漏电流无法很好预测和控制的前提下。通过对这些参数进行改善,可以有效地控制集成电路的功率损耗,因此低功耗集成电路的设计的根本目的是对这些参数进行有效的设计。

3 集成电路低功耗设计的策略

集成电路低功耗的设计是一个综合性的问题,需要将系统分成多个层次,大的方面分为软件和硬件层,在硬件层又可以分为多个层次,进而在系统各个层次中通过使用不同的策略降低损耗,并且各个层之间通过配合从整体上降低系统的功率损耗,从而达到提升系统性能的特点。下面介绍一些基本的低功耗设计的方式 :

(1) 尽可能的降低系统芯片或者电路的面积和性能,通过系统指令的并行运行以及模糊控制从而在软件上对性能做出弥补,从而降低由于面积过大造成的系统功率损耗 ;

(2) 在系统时钟上,关闭不使用的模块时钟,这些不参与系统正常运行的模块的时钟应该在系统初始化的时候尽可能的关闭 ;

(3) 由于可编程逻辑电路在功率损耗上要远远大于系统中专用的模块电路,因此尽可能的使用专用的电路进行功能的实现 ;

(4) 对软件算法进行优化,尤其对循环较多的算法进行优化可以降低对系统硬件的依赖 ;

(5) 开发新的集成电路产品工艺,从根本上解决由于工艺设计上的缺陷导致的电路的损耗过大。

在系统的工艺级别上,我们通过降低集成电路的体积,不仅能够对使用者来说有着更好的体验,更为系统的功耗降低加大了可能,但是这对系统实现其本来的功能提出了更高的要求。对系统集成度的增加使得系统中芯片数量减少或者数量降低,从而达到降低功耗的目的。与此同时,系统集成度的提高使得系统中线路损耗降低,进一步减少了总功耗。上述两个方法是在系统集成度提高的前提下进行的。然而对于系统的供电电压的降低仍然能够有效地降低系统功耗,然而这种降低系统工作电压的方式需要进一步研制出体积更小的电平转换电路。除了系统工作电压外,二极管阈值电压的改进也是一个新的目标。到现在,大多数集成电路的阈值电压都设定在0.7V至1.0V之间,这种高阈值的电源造成了开启功率损耗的增加。在5V的工作场合中,这种高阈值电压可以降低漏电流的消耗,从而降低静态功耗,而且在抗噪声干扰上有着独特的优势。然而在3.3V以及更低电压的工作场合中,0.7V显然已经造成了过多的功率损耗,并且在抗噪声干扰方面已经超过了限制,目前对降低二极管阈值电压的研究已经有许多研究成果。

4结论

高性能低功耗 篇4

高通骁龙S4处理器主要分为四个版本，包括移动体验与电视融合的S4 Prime、持久超强计算能力的S4 Pro、完美移动体验的S4 Plus、核心移动体验的S4 Play。APQ8064隶属于高通骁龙S4 Pro系列，使用基于ARM 的指令集架构（ISA），利用28 nm处理技术制造出的首批移动处理器，集成最新的Adreno 320 GPU，整合四个Krait架构CPU核心，支持异步对称式多处理，从而实现性能和功耗的最佳平衡。高通骁龙S4 Pro APQ8064具备三大优势：第一就是运算速度，由于采用KraitCPU微架构，每核主频最高达1.5/1.7GHz，因此可以有效提升产品性能及无与伦比的电源效率。第二是图形处理优势，Adreno 320 GPU在网页浏览、游戏、导航及画质方面具有更好的体验。第三是功耗管理能力增强，其28nm制造工艺以及异步多核架构可以让芯片在低功耗下完成高速运算。

高能低耗

高通APQ 8064是目前已有的四核芯片中惟一一颗采用了28nm制程工艺的处理器，因此在单位有效面积内，28nm的8064能放下更多的晶体管，因此性能会领先于竞争对手的产品。同时8064采用了Krait构架，性能相当于ARM Cortex A15，相比之下8064在性能上有较高幅度的提升，同时功耗方面保持的不错。为了达到最佳性能和最高电源效率，Krait 采用了关键的领先设计方案：包括新的CPU架构使Krait 在性能上比高通公司现有的Scorpion CPU 微架构提升了60％以上；128 位数据通道SIMD 功能单元，提升浮点运算性能。优化的计算单元能够以最低的功耗快速实现计算密集型应用；Krait 配置双通道内存，这是处理器能否在多核系统中处理高带宽需求工作的关键。为了获得更好的功效、性能表现和热曲线，高通将Krait 微架构设计为异步对称式多核处理器系统（或称为aSMP）， APQ 8064能在工作的时候，单独调节每个核心的时钟和电压，由此达到省电的目的。

强大的图形处理能力

目前GPU的重要性在移动终端上面已经超过了CPU，界面是否流畅，游戏是否流畅，以及导航，上网浏览这些都是用到GPU来运算的。APQ 8064配备的Adreno 320是高通Adreno系列GPU中目前最先进的产品，它是一款高性能可编程图形处理器，为网页浏览、游戏、用户界面和其它图形应用带来卓越的用户体验。Adreno320还为骁龙S4 Pro处理器注入了新的多媒体功能，包括计算型照相机——通过OpenCL等应用程序接口直接利用Adreno320图形处理器的计算功能，以支持下一代照相方式，如移动终端配备的光场相机（Light-Field Camera）。GPU性能的提升，直接带来了视频与图形显示效果和流畅度的飞跃，对游戏运算、网页浏览、视频播放、UI显示等意义重大。Adreno 320具有强大的图形渲染能力，相比高通上一代的Adreno225性能提升3倍以上。它不仅能够支持在平板或智能电视上运行大型3D游戏、1080p高码率视频等极端任务，还可以支持同时播放并显示4个不同的视频画面。

现场高通也展示了APQ8064的开发平台，这个平板电脑专为开发者打造，采用Android 4.0操作系统，屏幕分辨率为1366×720，搭载1.5GHz四核APQ8064处理器，2GB RAM，后置1200万像素摄像头，并配有7个麦克风。在性能测试中，其安兔兔跑分达到了13784，是目前双核处理器性能的两倍。

微功耗汽车线性稳压器 篇5

Ma xim推出带有复位输出的超低静态电流、高压线性稳压器MAX16910。这款200mA线性稳压器仅消耗20μA (典型值) 静态电流, 延长了不间断的汽车电源应用中的电池使用寿命。MAX16910采用Ma xim可靠的Bi CMOS工艺, 专为汽车工作环境而设计, 工作于3.5~30V较宽范围的输入电压, 并能够承受冷启动和电池倍压状态, 器件还能工作于高达45V的抛负载状态。另外, 集成的可调节延时漏极开路复位输出省去了外部复位IC。MAX16910理想用于方案尺寸较小、电源效率要求极高的不间断汽车电源应用。

MAX16910具有3个引脚可选的输出电压配置:固定的3.3~5V输出电压, 或者外部可调节的1.5~11V输出电压。复位输出延时通过外部小电容调节。其它保护性能包括短路电流限制和热关断。

MAX16910工作在-40℃~+125℃汽车级温度范围。器件通过了汽车电子AEC-Q100标准认证, 提供增强散热的8引脚TDFN和SO封装。

水下低功耗浊度仪系统 篇6

当前, 我国正面临着水污染加重、生态环境恶化的窘况。据“新华网”报道:我国70%水体遭受污染, 75%的江河、湖泊遭受水体富营养化影响。污染物的排放量远远超过水环境的容量, 而水污染最直接表现之一就是水体的浑浊度。浊度仪可以检测水体的浑浊度, 因此浊度仪的研制对水体环境的监测具有重要而深远的意义。

国外浊度仪发展起步早, 技术也比较成熟, 特别是进入20世纪90年代以后, 国外的许多仪器仪表公司都推出了技术先进、性能优良的浊度仪, 目前已占据了我国主要市场。其主要代表有美国哈希公司生产的2100p型浊度仪, 德国WTW仪器公司的Turb355T355IR型便携式浊度仪, 英国ABBKent公司研制的4600型浊度仪[1,2,3]。这些浊度仪测量范围在0-1 100 NTU, 精度一般都在±2%, 测试值分辨率在0.01 NTU, 且能够长时间稳定工作, 但是其价格也是相当昂贵, 并且部分技术对我国是保密的。相对于国外来说, 国内的研究起步较晚, 其可靠性、灵敏度、稳定性相比国外同类产品也具有较大差距。国内大部分的同类产品, 其测量范围在0～1 000 NTU, 基本误差在±2.5%, 测试值分辨率在0.1 NUT左右, 且一般在水下工作时间短, 稳定性不高。

综上所知, 国内浊度仪发展虽然取得了一定的成绩, 但是与国外相比, 我国浊度仪整体水平有着明显的劣势, 其测量精度低, 工作时间短, 同时可靠性和稳定性也需要极大的提高。

基于以上原因, 基于MSP430F149[4]单片机, 本研究设计一种用于浊度测量的水下低功耗浊度仪。

1 浊度的测量原理

目前, 浊度探测方法有3大类:分光光度法、直接观测法、仪器观测法。其中分光光度法和直接观测法通过配比溶液进行浊度观测比对, 这两种方法测量精度低, 且不适合用于深海浊度检测。第3种仪器观测法按光接收方式进行分类, 可以分为透射法、散射法、透射-散射法。因为散射测量法具有高灵敏度且检测方便容易, 愈来愈适应于水下浊度的测量。其中散射浊度法按照入射光与反射光的夹角, 分为直角散射 (90°或270°) 、锐角散射 (<90°) 和钝角散射 (>90°) [5]。

本研究采用90°直角散射法作为测量原理, 其测量原理图如图1所示。

由丁锋尔效应 (Tyndall effect) 可知, 散射光强与液体的浊度成正比, 故本研究通过对散射光的测量就可以计算出浊度的大小, 即:

式中:Is—散射光强;I0—入射光强;V—每个粒子的体积;N—单位体积内粒子数目;λ—波长;L—探测器与被测样品间的距离;γ—粒子折射率;γ0—溶液折射率。

2 系统的总体电路设计

低功耗浊度仪的系统组成如图2所示。该系统由浊度信号的检测、滤波与放大、实时时钟控制、数据信号存储、信号的通讯传输等模块组成。其工作原理是:将采集到的浊度信号经过滤波和放大后, 输入到主控制器MSP430F149单片机自带的12位A/D转换模块中, 从而实现模拟信号和数字信号的转换[6]。与此同时, 主处理器将从实时时钟芯片中读取采样时间, 将上述数据编码通过SPI通讯模式储存到Flash芯片中。该系统通过控制LTC1385芯片来达到与外计算机的RS232通讯的目的, 实现采集浊度数据的任务。

系统的设计要求为该系统能够在水下连续工作20天以上, 便携轻巧, 电源供给不能使用体积过大的电池, 因此, 需要对系统进行低功耗设计, 来降低电能的消耗, 延长系统的使用时间。本研究通过硬件和软件两方面来实现对浊度仪的低功耗的设计。

2.1 硬件低功耗器件的选择

在电子元器件中, 同样功能的部件的低功耗差别却是非常大的, 经过分析比较本研究最终选取低功耗元器件, 作为系统的组成部分, 如表1所示。

2.2 软件低功耗设计

本研究所选用的浊度仪的数据采集和通信均采用中断方式, 充分发挥了芯片的休眠低功耗功能。一旦到达采集时间点, MSP430单片机将被中断, 从低功耗模式激发并开始工作, 之后单片机发出控制电平将电源芯片打开, 开始对系统供电。当完成数据采集任务后, 开关芯片和带开关功能的数字芯片将关闭, MSP430F149将进入LPM3低功耗模式, 当处于LMP3模式时, CPU中的CPU、MCLK、SMCLK、DCO模块处于休眠状态, 而ACLK模块处于活动状态。在浊度仪作为从机和主机进行RS232数据传输时, 该过程由主机发起, 浊度仪的USART模块直接接收来自主机的异步通信中断子程序, 通过这种方法降低了功耗的同时又简化了软件流程。最后当所有中断服务子程序结束时, 调用LPM3_EXIT函数, 让MSP430单片机退出低功耗模式并且再次循环, 进入主程序的处理中[7,8,9]。

3 水下低功耗浊度仪的机械壳体设计

低功耗浊度仪系统的机械壳体主要由耐压壳体、浊度探头两部分组成。其总体结构如图3所示。

1-压盖;2-探头镜片;3-光学测量探头;4-光敏二级管;5-红外发光二级管;6-圆柱筒壳体;7-MSP430主控制器;8-电池板;9-断面压盖;10-密封圈;11-六角螺栓

3.1 装置的壳体设计

系统工作于水下0～6 000 m, 抗压性和密封性则是在机械结构设计中最为重要的环节。为保证浊度仪能在高压环境下正常工作, 本研究对浊度仪的内压腔及端部进行了抗压设计, 圆柱筒壳体与两个端盖采用径向和轴向密封。壳体设计标准如表2所示。

3.1.1 壳体壁厚计算

屈服强度σ0.2=635 MPa, 取ns=2, 则[σ]s=635/2=317.5 MPa;

抗拉强度σb=1 080 MPa, 取nb=3, 则[σ]b=σb/ns≈360 MPa;

[σ]b>[σ]s, 许用应力[σ]=[σ]s=317.5 MPa, 焊接系数ε=1, 壁厚MPD/ (2[σ]ε-P) ≈6 mm, 腐蚀余量为1.5 mm, 加工余量为0.5 mm, 断面密封1 mm;

壁厚设计为M=8 mm;

耐压壳体外径D0=D+2M=54+2×8=70 mm。

3.1.2 端盖的设计

端盖厚度取平盖外径D1=100 mm。

3.1.3 壳体密封设计

本研究在探头一端采用螺纹密封, 且端面安装密封O圈。此外, 在另一端采用轴向密封方式, 端盖与腔体通过螺钉紧固, 通过端盖上的水密接插件实现电路腔与PC机的通信。

3.2 装置的探头设计

因浊度的测量采用直角散射法, 笔者在设计探头光学线路时, 让发光二极管与光敏二极管对称放置于浊度仪的两侧, 其入射光与反射光之间的夹角成90° (如图3所示) 。选材时要求要有一定的抗压能力, 且具有良好的光学性能, 本研究选择有机玻璃作为浊度仪透明窗口材料。

其化学性能为:

(1) 透光率92.8%以上;

(2) 电绝缘性能良好, 耐稀酸、碱、油脂;

(3) 软化温度大于135℃。

物理性能为:机械强度和韧性良好。

4 实验室浊度标定

本研究通过采用武汉沃特公司研制的WT-RCOT浊度仪对自制浊度仪进行了实验标定, WT-RCOT浊度仪的测量范围为0～2 000 NTU, 测量精度为2.5%。

本研究使用高岭土配置出了19种不同浊度的标准液[10], 让自制浊度仪和WT-RCOT浊度仪对标准液进行分别测量。根据标定测量数据, 并绘制出了标定曲线如图4所示。通过图4可知, 笔者所研制的浊度仪的线性度为0.993, 测量精度为2.6%。该装置能够满足精度设计指标要求。

5 钱塘江浊度测试

2012年9月25日, 笔者在钱塘江采用自制浊度仪进行了浊度测试, 测试图如图5所示, 由实验室标定可知浊度和电压成线性关系。在15:32～15:40左右系统处于待机状态, 未进入水中浊度显示较小;在15:40～15:43涨潮, 水中浊度迅速变大;在15:43～16:15, 潮水处于一波又一波的状态, 浊度的大小也在上下波动;16:15～18:35潮水慢慢退去, 泥沙也慢慢地沉淀到水底, 水中的浊度逐渐变小。

通过此次钱塘江河试, 测试结果表明, 该自制浊度仪能够用于水下浊度的现场测试。

6 结束语

基于国内浊度仪发展现状, 针对水下长时间浊度数据采集的问题, 笔者设计研制了一种水下低功耗浊度仪系统。

(1) 基于低功耗的设计原则, 笔者采用MSP430F149单片机为主控制器, 对其电路进行了精心设计, 经过分析、优化, 其电池能量足够提供系统在水下工作20天。

(2) 基于水深6 000 m的设计要求, 系统能够承受高压, 具有高的密封性能。本研究所得到的装置体积小、质量轻, 便携易用。

(3) 本研究对所研发的浊度仪系统在钱塘江进行了河试, 试验结果表明该浊度仪能够用于水下浊度的测试。

参考文献

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超低功耗集成电路技术研究 篇7

一、现有的集成电路的超低功耗可测性技术

在集成电路的发展进程中, 超低功耗集成电路的实现是一项综合工程, 需要在材料、电路构造及系统的功耗之间进行选择。可测性技术所测试出的数据影响制约着集成电路的发展。但随着集成电路在不断发展过程中趋于形成超大规模集成电路结构, 这就导致在现有的测试技术中, 超大规模的集成电路板容易过热而导致电路板损坏。现有的超低功耗可测性技术并不能满足对现有芯片的测试, 并不能有效地通过对日益复杂的集成电路进行测试, 因此在对超低功耗集成电路技术进行研究的同时, 还要把握现有的集成电路的超低功耗的可测性技术不断革新, 以摆脱现有测试技术对集成电路板发展的制约[2]。

二、超低功耗集成电路研究发展方向

2.1 现有的超低功耗集成电路技术

在实际的操作过程, 超低功耗集成电路是一项难以实现的综合性较强的工程, 需要考虑到集成电路的材料耗能与散热, 还要考虑到系统之间的耗能, 却是往往在性能和功耗之间进行折中的选择。现有的超低功耗集成电路大多是基于CMOS硅基芯片技术, 为了实现集成电路的耗能减少, CMOS技术是通过在在整体系统的实现设计, 对结构分布进行优化设计、通过对程序管理减少不必要的功耗, 通过简化合理地电路结构对CMOS器材、结构空间、工艺技术间进行立体的综合优化折中。在实际的应用工程中, 通过多核技术等结构的应用, 达到降低电路集成的耗能, 但是睡着电子原件的不断更新换代, 使得现有的技术并不能达到性价比最优的创收。

2.2高新技术在超低功耗集成电路中的应用

随着电子元件的不断向纳米尺度发展, 集成电路板的性能得到了质的飞跃, 但是集成电路芯片的耗能也变得日益夸张, 因此在集成电路板的底层的逻辑存储器件及相关专利技术、芯片内部的局域之间的相互联通和芯片间整体联汇[3]。通过有效的超低功耗的设计方法学理论, 进行合理的热分布模型模拟预测, 计算所收集的数据信息, 这种操作流程成为超低耗解决方案中的不可或缺的部分。

现在的主要的超低功耗技术有, 在集成电路的工作期间采用尽可能低的工作电压, 其中芯片的核电压为0.85V, 缓存电压0.9V。通过电压的有效控制能够减少电路集成技术所运行期间所造成的热量散发, 从而导致芯片过热。对非工作核的实行休眠的栅控功耗技术, 减少芯片的运作所需要承受的功。通过动态供电及频率技术对集成电路芯片进行有效的控制节能。为了实现超低功耗集成电路, 需要从器材的合理结构、对电路元件材料的选择、空间上的合理分配等多个层次进行努力。通过有效地手段减少芯片在运作过程中所存在的电力损耗, 从而降电能功耗在电路总功耗中所占的比例, 这样能够将集成电路板的耗能有效地控制。利用高新材料形成有效的多阀值CMOS/ 功率门控制技术, 对动态阀值进行数据监控, 可以有效地减少无用的做功, 有效地减少器件泄漏电流。通过对多门学科知识的应用实践及高新材料的实际应用, 能够有效地进行减少集成电路的功耗。

三、结语

综上所述, 在集成电路的发展进程中, 超低功耗集成电路的实现是一项综合工程, 需要在材料、电路构造及系统的功耗之间进行选择, 但往往在性能和耗能之间做出折中选择, 这就导致了集成电路的利用不能达到最大。随着高新技术和材料的应用, 有效地控制住了无用电流做功的损耗, 但该项技术尚不成熟, 并没有得到广泛应用。因此在超低功耗集成电路的技术研究过程中还有很长的路要走。

参考文献

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[2]何蓉辉等, 一款通用CPU的存储器内建自测试设计[J].同济大学学报, 2002年10月, 30卷10期, 1204~1208.

数据中心低功耗计算研究 篇8

计算机系统能效问题正越来越受到重视, 工信部于2013年2月发布了《关于进一步加强通信业节能减排工作的指导意见》, 提出到2015年末, 新建大型云计算数据中心的功耗效率PUE (平均电能使用效率) 值达到1.5以下, 其重点就是构建绿色数据中心, 实现绿色计算。据统计数据显示, 到2015年, 我国数据中心总量已超过40万个, 年耗电量超过全社会用电量的1.5%, 达到1000多亿度, 其中大多数数据中心的PUE值普遍大于2.2, 能效比较差, 与国际先进水平相比有较大差距。电力已经成为数据中心份额最大的支出项, Google、亚马逊、华为等数据中心大户开始尝试将数据中心建在严寒地带, 以减少电力消耗。为了应对计算机系统的能耗日益突出的问题, 绿色计算作为一种以低功耗和环境友好为目标的新型计算模式也应运而生。

2 绿色计算简介 (Introduction to green computing)

按照维基百科的定义, 绿色计算是对环境负责的原则使用计算机及相关资源的行为。绿色计算涉及系统结构、系统软件及计算机网络[1], 它以保证计算系统的高效、可靠及提供普适化服务为前提, 以计算系统的低耗为目标, 通过构建功耗感知的计算系统、网络互联环境和计算服务体系, 为日益普适的个性化、多样化信息服务方式提供低耗支撑环境。绿色计算中的计算机及相关资源包括采用高效节能的中央处理器 (CPU) 、服务器和外围设备, 减少资源消耗, 妥善处理电子垃圾等。

从上述定义和涉及的内容可以看出, 绿色计算的核心目标是低功耗和环境友好。在此, 为了研究的方便, 我们定义绿色计算包括低功耗计算和环境友好计算。通过设计好用易用的程序界面和在线帮助, 机房装修、架构设计时注意选择无毒无害物质和材料, 通过屏蔽和隔音做到静音等, 一般比较容易实现环境友好计算, 困难的是降低功耗[2,3,4]。所以, 低功耗计算才是实现绿色计算的核心问题。

3 低功耗计算现状 (The status quo of low-power consumption computing)

美国国防部于2002年制定高性能计算系统计划, 首次提出以高效能作为新一代高性能计算机研制的目标, 着眼于并行系统由高性能向高效能转变[5]。此后很多机构开展了绿色计算的研究, 国内外著名的高性能计算解决方案提供机构如银河[3,4,5,6]、神威[7]、曙光[2,8]、IBM、Intel、HP、Google等在该领域进行了大量的研究, 主要集中于四个方向, 分别是芯片级节能技术、基础架构级节能技术、系统级节能技术和机房制冷节能技术。芯片级节能技术研究主要由传统芯片提供商进行, 通过CPU加工工艺和功耗控制等来降低功耗, 如Intel推出的至强系列处理器、动态功耗节点管理器等;基础架构级节能技术主要研究效率更高的散热方式和性能更好的冷却设备等, 如HPPARSEC体系结构、Cool Blue机柜系统等;系统级节能技术方面, IBM Power Executive允许用户同时在系统、机箱或机架层次上对数据中心的电耗和能耗进行有效分配。曾宇等基于曙光5000A设计并实现了高效能计算节点[5], 董晶等提出一种基于资源限制的高性能计算系统功耗管理, 通过控制节点的分配和功耗状态降低系统的能耗[6], 戴永涌等设计并实现了一种基于资源调度的集群节能系统, 有效降低集群系统空闲时的功耗, 降低神威高性能集群计算机系统的功耗[7], 林守林等提出了一种基于CPU利用率的服务器功率控制策略, 可根据负载情况实时调整服务器功率, 减少电力消耗[8]。

总的来说, 上述功耗控制研究工作主要是针对不同的系统对象从不同的功耗控制角度开展的, 理论上还缺乏统一系统功率计算模型、负载评价模型和一体化节点、机柜与机房散热模型的系统规范和管理, 取得的实际效果也是局部和有限的。

4 数据中心实现低功耗计算的途径 (The construction approaches of low-power consumption computing in the data center)

数据中心普遍采用了计算能力更强的大规模集群计算机系统, 安装在专业机房, 配套精密空调和UPS供电设备。低功耗计算是实现绿色计算的核心问题。数据中心的能效核心问题已转化为集群计算机系统的功耗控制问题。集群计算机系统的能效比提高了, 整个数据中心的功耗也就降低了[9]。通常, 数据中心所使用的集群计算机系统是由成百上千的节点或服务器组成, 这些节点或服务器是功耗控制的重点对象。

4.1 思路

数据中心要实现绿色计算, 就要针对集群计算机系统结构特点和应用负载特点, 建立功率计算模型与负载评价模型, 全面监控各部件的功率、负载的水平与波动情况, 建立系统资源池与功耗池, 分析任务的时间与空间分布, 根据任务的重要性与紧迫性为其调度相匹配的计算资源、功率与功耗, 通过对各部件功率的控制实现对系统功耗的控制, 在保证满足应用需求的前提下实现最高的资源利用率, 减少电力资源的浪费, 节省功耗。建立基于业务负载的热量追踪模型, 对热量的产生进行预测和监控, 建立数据中心一体化节点、机柜与机房散热模型, 对机房温度分布进行计算与监控, 根据数据中心业务负载、温度、热量的分布情况调整供电与冷却设备的工作状态, 通过主动式控制方式, 以业务负载为核心, 以系统功耗为纽带, 实现系统与数据中心基础设施的联动, 保证数据中心机房的电力资源得到充分利用, 减少能量的消耗和浪费, 大大降低数据中心的功耗。

4.2 系统框架

集群计算机系统各节点由于作业任的不同和作业调度的关系, 节点的忙闲程度不一样, 忙的节点耗电多发热量大, 空闲的节点反之, 从而造成整个集群计算机系统功耗分布不平衡, 存在明显的冷热不均匀的现象, 是典型的非稳态热力学系统, 而现有机房的散热设计一般是基于热力学稳态系统进行的, 造成了大量的能源浪费, 所以集群计算机系统功耗控制必须和机房环境进行联动监控和分级管理, 图1给出集群计算机系统机房功耗控制系统框架示意图, 各级主要功能详见下面介绍。

(1) 集群计算机节点是功耗控制的基本单位, 本层负责对节点的负载与功耗情况进行监控和统计, 将处理结果上传至集群层;同时, 接受集群层的指令, 根据具体的策略通过调整CPU的频率或状态, 对节点的功耗水平进行调整。

(2) 集群级负责从应用的角度衡量当前计算机设备的功耗与资源利用水平, 根据应用的需求 (运行时间、优先级等) 与对负载水平的预测判断当前节能策略是否正确, 及时进行调整。

(3) 系统级根据当前集群的功耗水平计算所需的电力供应与产生的热量, 对UPS的交直流转换效率和空调的制冷效率进行推算, 根据对负载变换与温度变化的预测制定合理的供电与制冷策略, 提升数据中心的总能源利用率。

4.3 主要研究内容

(1) 研究建立数据中心的功率计算模型

功率计算模型实现对部件、节点、系统功率与功耗的精确统计, 这是进行功耗管理的基础。模型包含节点主要的功率较高的部件, 例如CPU、内存、硬盘等;模型首先能准确的统计节点的实时功率, 在此基础上增加存储和交换设备功率, 从而获得系统的功率。

(2) 研究系统功率控制方式与算法

实现细粒度的功率控制方式, 快速、准确地对系统功耗进行调整。各部件和不同节点的功耗特点是不同的, 应该据此给出合适的功率控制算法与控制接口, 需要兼顾准确性与响应速度。

(3) 建立系统的资源池和功耗池, 实现基于重要性与紧迫性的调度模型

通过构建资源池和功耗池, 实现对计算资源、任务、供电的一体化监控, 判断系统的资源使用情况与功耗水平是否匹配, 快速定位需要调整电源状态的部分节点, 基于任务的重要性与紧迫性选择相应的用电模式。

(4) 对数据中心系统的能源使用效率进行分析

在系统的运行过程中记录并保存了负载和功耗的信息, 分析系统提供的计算能力、实际使用的计算能力、供电水平, 计算系统的电力资源使用效率。

(5) 研究建立数据中心节点、机柜、机房的统一散热模型

目前, 冷却设备功耗一般占机房总功耗的30%以上, 当前数据中心普遍采用的被动式弥散冷却方式效率很低, 浪费了大量的制冷量。采用经典公式与有限元方式相结合的算法[19], 建立机房的一体化准静态散热模型可以快速准确得到机房的功率和温度分布, 同时对温度变化进行预测, 采用主动式精确制冷方式, 节省大量的冷却设备功耗, 避免机房出现热点, 提升系统的稳定性。

(6) 研究低耗作业调度系统

通过对作业的运行情况进行统计分析, 判断作业运行的特点与规律, 进而形成作业调度策略, 通过对作业队列的实时监控, 动态调整调度策略中的各项参数, 保证作业运行在能效比最好的节点上。

4.4 工作流程

集群低功耗控制系统软件由数据采集模块、能效分析模块、策略设置模块、功耗控制模块、作业调度模块和管理与日志记录模块组成。系统工作流程如图2所示。

通过数据采集模块采集的各项数据确定结点当前的工作状态 (运行/关机) , 以及负载水平, 结合结点的硬件配置即可确定结点的功耗, 通过预先建立的结点热力学模型和环境温度可以确定结点所产生的热量和温度变化趋势。结点在数据中心的物理位置和数据中心的空间结构 (长、宽、高) , 以及空调的进、出风口位置作为环境参数输入在资源池管理模块中, 基于这些参数构建数据中心的热力学模型。通过结点温度变化与数据中心热力学模型计算出所需的制冷量, 对空调进行相应调整。与此同时, 根据用户在策略设置模块中设置的策略、能效分析结果, 通过作业调度模块动态的调整各结点的作业分布, 从源头控制各结点的负载水平和温度变化。

5 结论 (Conclusion)

绿色计算是在建设绿色GDP和节约型社会的倡导下提出的, 用绿色科技创造社会价值, 正在成为当今社会的一种共识, 节能、环保和节约已成为整个计算机产业的重要发展趋势, 用户对健康化和节能化的理念要求也逐渐成为计算机产品更新换代的新标准。绿色计算作为一种新的计算模式与技术, 涉及的领域范围较广。本文重点对绿色计算的核心低功耗计算在数据中心的实现做了一个浅显分析, 希望能对建设或改造数据中心有所参考。

参考文献

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[6]董晶.高性能并行计算系统中低功耗资源管理的设计与研究[M].国防科学技术大学, 2009.

[7]戴永涌, 杨树军.基于资源调度的集群节能系统的设计与实现[J].计算机工程与科学, 2009, 31 (A1) :176-178.

[8]林守林, 等.一种基于CPU利用率的功率控制策略的研究与实现[J].计算机工程与科学, 2009, 31 (A1) :282-285.

低功耗LED驱动电源设计 篇9

随着技术的进步和发展, LED工厂制造成本在不断地降低, 而不断地提升LED发光效率, LED已经加快替代传统照明。今后我国LED照明市场将会继续以更快的速度增长。随着电子产业发展、芯片集成化, 那么要求驱动电源功耗更加低, 因此LED产品研发企业对各种元器件提出了低功耗要求。目前, 随着单颗LED芯片功率与亮度等不断提升, 在散热技术不断优化的前提下, 半导体照明产品供应商都在积极开发更具优势的低功耗LED产品, 低功耗已成为市场卖点, LED则要使用相应的拓扑结构来进行配合。一般来说, 决定使用哪个LED拓扑结构的, 通常是输入电压、输出电压和隔离需求等因素。在输出输入电压不稳定的情况下, 使用降压或着升压的方法来应对是正确的选择。但是当输入输出电压处于较为稳定的情况下时, 选择机会变得比较困难, 所以希望通过本篇, 能够帮助大家积累这方面的知识, 同时本论文详细介绍低功耗LED驱动器的设计方法。

1 拓扑结构选择

LED照明电路的设计并不算难, 但是拓扑电路的选择往往会成为一个比较让人头疼的问题。在LED驱动电路当中, 经常会有变压的交流转换成直流电源, 其中包含了flyback converter、forward converter及half-bridge等拓扑结构。 其中凡是功率不超过30W, 我们都选flyback converter, 而超过30W则选用half-bridge。如果变压器采用隔离的话, 具体的大小是和它的频率f有关系, 一般是隔离型的LED电源, 我们基本上采用高频开关变压器。

图1是设计当中比较常见的一些直流驱动方式。这种方式和其他的方法来比较, 设计更加容易、成本更加低, 并且最大的特点是不受到EMC的干扰, 但也有不足, 就是需要稳定的电压、可靠的LED灯珠, 并且要求能效也很低。采用直流-直流的电源驱动, 在LED照明市场中, LED驱动方法有3种: (1) 有电阻型; (2) 线性稳压器; (3) 开关稳压器等, 在第一种驱动方式中, 改变与LED串联的电流检测电阻大小, 即可改变LED的正向电流, 第二种方式同样易于设计并且不会产生EMC问题, 还使电流稳定及过流时可以保护功能, 且可以设置外部电流点, 缺点在功耗大, 及输入电压要一定高于正向的电压, 且能效非常低。第三种方式是通过脉宽调制模块, 可以控制开关 (FET) 的开和关, 进而改变电流的大小。目前的LED驱动方式有下列5种拓扑类型:1) buck-mode;2) boost-mode;3) buck-boostmode;4) SEPIC和5) flyback-mode拓扑。

在图2 当中给出了三种比较常见的拓扑结构, 前两个为降压型, 最后一个为升压型。最前面的示意图所显示的buck稳压器要求:输出电压总体不超过输入电压的条件。在图中, buck稳压器会通过改变开关管的开启时间来改变电流大小。检测电流可通过检测电阻器两端的电压得到, 其中电阻器和LED是串联在一起。对于这种方式, 如何驱动开关是一个大的难题。如果使用需要浮动栅极驱动的N通道MOSFET, 那性价比会高很多, 不过需要一个驱动电源或浮动驱动模块。

但是这种方法实现会有一些缺点, 电流会比较高。如, 输入电压正好等于输入电压, 电感和电源高频开关产生的电流是两倍的输出电流。这是对效率和功耗非常不利。通常情况下, 图3 中的“buck或boost”拓扑将避免出现类似这些问题。在该电路中, buck功率级之后是一个boost。如果输入电压>输出电压, 则在升压级刚好有电流时, 降压级会控制电压。如果输入电压<输出电压, 则升压级会进行控制而降压级则通电。一般情况下, 我们让升压和降压存在一些重合区, 因此静电就不会产生 (从一个模型变成另一模型) 。

这种电路的优势, 就是当输入等于输出的电压时, 开关和电感器高频开关产生的电流也等于输出电流。电感纹波电流也很小。即使这种电路中有四个电源开关, 一般驱动效率也会大幅提高, 在LED应用中这一点非常重要。图3 中还显示了SEPIC拓扑, 此类拓扑对于场效应管要求较低, 但需要无源器件很多。它的优势在于场效应管接地简单。另外, 可将双电感合并成为一个耦合电感中, 用来大幅节省空间和成本。但是buck-boost拓扑一样, 它具有比“buck或boost”和PMW输出电流很高的开关电流, 这样导致RMS电流流过电容器电流很大。

在考虑降低功耗的基础上, 所有的提升效率就都是把安全排第一, 通常来说都会将输入和输出进行隔离。在LED照明市场中, 最具优势的解决方案是flyback-mode。它需要隔离拓扑的组件数非常少。变压器匝比可设计为buck、boost或buck-boost, 这样就使设计更加灵活。 但其缺点是要定制电源变压器。此外, 存在很大的应力在场效应管以及输入和输出电容器之间。在LED照明市场中, 为了实现功率因数校正功能, 可以使用较慢的反馈控制环路。通过改变平均LED电流大小, 来使输入电压同相的输入电流大小相等, 便可得PF值较大。

2 IC驱动芯片

当选反激式拓扑结构时, 我们可以选择SSL2101 芯片, 因为它元器件集成度较高, 外部的元件数量较少, 占电路板空间较小, 性价比较高, 为照明系统设计师设计高能效系统提供了关键硬件, 适合做反激式拓扑结构。下面我们举例SSL2101, 芯片SSL2101 实际上是一款低功耗的转换器和多芯片组件 (MCM:Multi - Chip Module) 切换式电源 (SMPS: Switching Mode Power Supply) 控制器。

SSL2101 应用LED驱动电源中的优点:

1内部集成了MOS, 降低了成本;2优化了MOS关闭时间, 降低损耗;3分压MOS和比较器使外部元件数量和尺寸减小;4MOS的智能分压作用降低功耗, 提升效率;5导热好, 降低功耗, 延长了使用时间。

3 关键元器件设计与计算

从图5 中可以看到, 这种拓扑结构为常用的反激电路, 它包含1滤波电路, 2RC震荡器电路, 3整流电路, 4VCC电源电路, 5检测电路, 6 调光电路, 7 母线电路8输出电路。下面介绍:

3.1 滤波电路:滤波电路的作用是提供过流和过压保护功能, 为电网总线进行整流。保护通过保险丝断开来实现, 只要熔丝或电流超过额定值。采用熔丝应该选熔断电流值较大, 并且能够承受浪涌。根据经验, 通常选用1~1.5A熔断电流。如熔阻器的阻值可以计算, 可按下式:

本论文以总电流为20A, 总电压为220 V (50Hz) ±20%, VAC ( max) =264V计算, 得R1=14.5, 取最接近标称值15。R1的功耗必须连续, 才能按下计算:

式中Ccrestfactor时计算系数, 为电流的均方根值除以平均值。本论文以总线电压220 V, Ptot=14W, R1=15 , Ccrestfactor=3.5 计, 得PR1=290m W。加入C1=390p F, L1=1.9m H用来增加滤波, 并且可以防止输入电压尖峰的保护功能。通过4 个整流二极管D1-D4 的PK电流可按下式计算:

本例总线电压以220 V (50Hz) ±20%, R12=300 , R1=15, R4=1 计, 得PK电流为2A。

3.2 RC震荡器电路:变压器输入功率是可以控制的, 其大小通过转换器和RC最高频率来计算得到。输出和辅助电路的功耗及变压器功耗总的加起来就等于变压器输入功率。按下式可以将变压器的初级电感计算出来:

Lp=变压器初级电感;Ip (peak) =初级电流峰值;Pin (trans) =变压器输入功率;fconv (nom) =变换器标称频率。

Lp=变压器初级绕组电感;Cp=变压器初级电容。

另外, 变压器的主边电容不仅由主绕组, 还由场效应管的漏极、缓冲二极管和整流二极管除, 由变压器原边和副边的线圈匝比来控制:

因此在最低电压下出现副边关闭后:

转换期的额定频率的周期则为 (δT+δ2T) =9Us, 在检测最低电压时, 通常时间为9.5μs, 从而可以看出转换期的频率应该为101k Hz。

转换期的振荡频率是由电阻R9 和电容C7 并联构成。当给电容一直上电至VRC ( max) =2.1V, 放电到VRC ( min) =68m V。电容上电时间非常快, 约1μs;放电时间非常长, 通常放电时间我们按照tdischarge=3.5×rc时间常数计算。它的值可以通过这个公式计算:

按照这个方法我们可以出R9 于C7 的值。因为场效应管的漏极电压会对RC振荡器又比较大影响, 谐振电容C7选择最好是>300p F;如果要提升效率的话, C7 尽量选<1n F。

本论文是采用额定频率为101k Hz来算, 并规定RC时间常数为1.88μs, 另外需要接R9=2.7k和C7=470p F通过以上计算可到满足要求。

减小RC谐振频率可以实现dimming。R8 与R9 的比值控制频率变化的范围。考虑到控制定时容差, R8 最好是<150k。如果dimming从1%~95%, RC谐振频率需要从101k Hz降至5k Hz, 对应的R8 则为95k, 典型的电阻值是100k。

3.3 整流电路:它是有阻尼D5 和D4 整流二极管组成, 我们可以通过以下计算得到:

Vzener=VDRAIN (max) -Vbuff (max) -25;Vzener=SSL2101 内部集成功率MOS管的击穿电压;VDRAIN ( max) =最高漏极电压, 约600V;Vzener=600-384-25=191V。因此这个D二极管可以选200V。

3.4 VCC电源电路:它是由c6, D7、电阻R5 和齐纳保护二极管D8 构成, 从而从集成电源vcc供电, 它的大小由主边和副边线圈匝边来决定, 同时也会受最低频率影响:

m=次级与辅助绕组匝比;Na=辅助绕组匝数;Ns=次级绕组匝数;Vaux=辅助绕组两端产生的电压;VD6=次级绕组两端产生的电压;Vled=LED灯链两端的电压。

本论文d8 选用80v二极管, VAux=30V。因此得到Vled=5×5=25V, VD6=0.7V, 则m=30/ (25+0.7) = 0.9, 由此可以知道, 如果副边匝数NS=47 时, 辅助绕组NAUX=0.9×47=45。通过以下公式计算得到R5 的值:

限流二极管D7 选择正向电流和反向电压比较大的, 开关速度可以根据工作频率来选择, 变压器主边和副边匝数比、缓冲电路中最高电压决定选择不同的反向电压值:

论文IVCC=3m A, 如果纹波电压 ΔVCC=150m V, fmin=5k Hz, 则C6=0.003/ (0.15×5000) =4μF。

3.5 检测电路:检测电路是用来调光电流大小和改变调光倍率用的。比较低的负载需要比较高的分压值。对于此芯片来讲, 当强分压的引脚电压<52Vin ( Sbleeder) 时, 就会打开开关。对于LED使用了调光器来说, 通常会选强分压电阻R10 为2。维持电流一般是弱分压。只要电流下降到250m V的Vin ( low) Isence以下时, 就会关闭分压开关;当电流通过时, 电压一直升到Vin ( High) Isence以上时, 就会重新打开开关。

3.6 调光电路:母线总电压和平均电容决定了调光大小。当电压降到输入与芯片PWM限定管脚的电压时。两个端电压会出现平衡, 因为芯片PWM限定管脚电压, 经过变压器的PK电流值会变小, 因此可以去掉一些噪音。

3.7 母线电路:母线电路保护1 个电感和2 个电容, 有两个作用:1为了保证电流的连续性, 有储藏能量功能;2减小纹波电压。但是必须满足缓冲电路电压最小值:

缓冲电路中电压从max值一直降到最小, 电容的放电时间可以从以下公式计算出来:

fnet=电网总线频率;

母线电压为220V (50Hz) , 缓冲电路电压最小值190V, 计算得电容放电时间为6.8ms。缓冲电路总电容可以根据以下公式计算出来:

论文中fconv=101k Hz, C3=C4=1.5μF, 从而L2=150μH。

3.8输出电路设计:转换器中的能量都存在电感和电容的谐振回路中。变压器主边两端加有钳位以防止芯片内置场效应管在关断瞬间, 漏极出现高电压, 大电流。LED输出电流大小和输出路数决定输出的元器件数量。可以通过调节缓冲电路中的C5来调节输出电流:

Iled=流经LED灯链的电流;ΔI=LED灯链电流的变化;fconv ( nom) =功率变换器标称频率;R=LED灯链的串联电阻。

如果输出电路里有20 个正向电压VF=3V的LED, 输出300m A电流, 可以承受20%纹波, 当额定频率为50k H时, 输出电压电压为20×3=60V。根据LM80 报告可以得到, 每个LED在300m A的微分电阻为0.5, 这样可以计算出总的电流为20 ×0.5 =10, 从而得到电容C5 =20 ×1/ (100000×5) =40μF。

为了减小变压器原边和副边的寄生电容, 同时可以消除原边, 副边分别和地之间的寄生电容, 我们接入C9, 它的大小远远高于这些寄生电容。根据以前实践的结果, 寄生电容值通常为50-150Pf, C9 最好取1Nf。

至此, 全部电路元件和相关电参数设计均已计算。

4结论

通过以上计算和设计, 可以使LED设计更加简单, 通过准确计算可以让工程师选择元器件参数更加方便, 避免研发工程师去摸索拓扑结构, 选择不同的芯片方案, 花很长时间调试, 从而缩短研发周期, 提高研发效率, 另外由于集成度高, 成本也可以降低。由于在撰写本设计论文的准备和时间上的仓促, 本次只能在设计低功耗LED原理和关键器件上做了论述, 未考虑设计中的风险评估和测试认证做详细的阐述。本论文的设计思想和方法都是现有的, 可行性和可靠性在量产中得到验证, 是一款成熟低功耗调光LED产品。

参考文献

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