《電子技術(shù)應用》
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移動設備中的功率管理之節(jié)能(二)
摘要: 移動設備的功率是指其在每個時間單位內(nèi)所消耗的電能。相反地,,電能則是功率與時間之乘積,。由于電池所存儲的電能是有限的,,電能管理的目的就是要將設備執(zhí)行每個任務時所需要的電能最小化,。
Abstract:
Key words :

  功率 vs. 電能

  盡管人們在交談中常常不免把功率和電能對等起來,,但我們必須理解這兩個概念之間的區(qū)別,。在移動產(chǎn)品平臺中,,功率和電能的概念定義如下:

  功率 = 電功/時間(瓦特)

  電能 = 功率×時間(焦耳)

  移動設備的功率是指其在每個時間單位內(nèi)所消耗的電能,。相反地,,電能則是功率與時間之乘積。由于電池所存儲的電能是有限的,,電能管理的目的就是要將設備執(zhí)行每個任務時所需要的電能最小化,。在某些情況下,將功率最小化就是將電能消耗最小化,,但并非所有情況都是如此,。有些任務在執(zhí)行時,在短時間內(nèi)以高速度高功率工作所消耗的電能,,比長時間以低速度低功率工作消耗的電能要少,。

  我們是該降低電能,還是降低功率,,取決于應用的不同,。那些持續(xù)時間固定的任務,例如播放視頻或音頻,,是一個重要的應用類別,,其所需的電能和平均消耗功率是成正比的,因為任務的持續(xù)時間不變,。這一類別的應用包含了等待,,要么是在設備開啟時等待用戶輸入,要么是在設備關(guān)閉時將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存中,,或讓時鐘計時,。對于這類任務來說,將功率最小化就能將電能最小化,。

  因此,,在談到節(jié)能時,我們必須區(qū)分降低功率和降低電能之間的區(qū)別,。電能和功率是有差別的,。電能的公式是功率乘以時間。降低功率并不代表一定降低了電能。

  這里有一個簡單的例子,。當靜態(tài)功率可以忽略不計時,,對于一個特定的應用,當其完成任務所需周期次數(shù)是一樣時,,不管應用是在短時間內(nèi)以快速度完成,,還是以一半的頻率和兩倍的時間來完成,所消耗的電能都是一樣的,。

  但是,,當系統(tǒng)中存在較大的靜態(tài)功率(如偏置電流和泄漏)時,由于在整個活動期間的功率是一樣的,,以更低速度(或更低功率)運行時的功效就更低,。

  我們的目的是要將系統(tǒng)最優(yōu)化以提高能效。功率可以分為兩類:靜態(tài)功率和有源功率,。任何DC電流源(如基準電路),、模擬設計甚至是產(chǎn)品的意外短路,都會產(chǎn)生靜態(tài)功率,,而有源功率則來自采用Alpha開關(guān)的電路的開關(guān)行為,。

  而在另一方面,電能則是功率與時間的乘積:

 

  

 

  圖4:電能 vs. 功率

  圖4:電能 vs. 功率,。

 

  電能

 

 ?。?等于功率和時間之乘積

  - 降低功率 ≠ 降低電能

  降低功率很可能無法降低電能,,比如當靜態(tài)功率較高且頻率減半時,。雖然總功率降低了,但是由于需要多個時鐘周期才能完成一個任務,,如果頻率減半了,,那么就需要兩倍的時間來完成,這樣將增加執(zhí)行任務所消耗的電能(如圖4),。

 

  功耗的原理

 

  本節(jié)將概述功耗的原理,。互補型金屬氧化物半導體(CMOS)IC的功耗可以分成動態(tài)功耗(開關(guān)+短路)和靜態(tài)功率,。下面的等式展示了動態(tài)和靜態(tài)功率的主要原理:

  功率等式:P (平均) = P (開關(guān)) + P (短路) + P (靜態(tài))

  動態(tài)和靜態(tài)功率的原理

  動態(tài)功耗來自電路的活動,,是由開關(guān)電容和短路電流產(chǎn)生的。

  動態(tài)或有源功率=P(電容式開關(guān))+ P(短路電流)

  P(開關(guān))=a電容式開關(guān)=a C(V),?2F

  C = 電容負載

  V = 電源電壓

  F = 開關(guān)頻率

  a = 開關(guān)活動

  開關(guān)電容是動態(tài)功耗的主要來源,,是由電容器的充放電產(chǎn)生的。從上面的方程式可以看出,,共有4種方法可以降低動態(tài)功耗,。我們將在隨后的章節(jié)討論這些方法,。

  P (短路) = V × l 短路P (短路) = 當開關(guān)狀態(tài)下N和P通道同時活動導致暫時短路時產(chǎn)生的Crow-bar電流或過渡電流,。

  靜態(tài)功率=DC功率

  P(靜態(tài))= V× 泄漏

  靜態(tài)或泄漏功耗是電源電壓和泄漏電流的產(chǎn)物,。泄漏功耗是泄漏晶體管和二極管的產(chǎn)物,在活動和靜止模式下會自動顯現(xiàn),。此外,,它還取決于制造過程。靜態(tài)功率包括次門限泄漏,、反偏置泄漏和柵極泄漏電流,。

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