《電子技術應用》
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移動設備中的功率管理之節能(二)
摘要: 移動設備的功率是指其在每個時間單位內所消耗的電能。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別。在移動產品平臺中,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。有些任務在執行時,在短時間內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,要么是在設備關閉時將數據保存在內存中,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,在談到節能時,我們必須區分降低功率和降低電能之間的區別。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是一樣時,不管應用是在短時間內以快速度完成,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,當系統中存在較大的靜態功率(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最優化以提高能效。功率可以分為兩類:靜態功率和有源功率。任何DC電流源(如基準電路)、模擬設計甚至是產品的意外短路,都會產生靜態功率,而有源功率則來自采用Alpha開關的電路的開關行為。

  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,這樣將增加執行任務所消耗的電能(如圖4)。

 

  功耗的原理

 

  本節將概述功耗的原理?;パa型金屬氧化物半導體(CMOS)IC的功耗可以分成動態功耗(開關+短路)和靜態功率。下面的等式展示了動態和靜態功率的主要原理:

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

  動態和靜態功率的原理

  動態功耗來自電路的活動,是由開關電容和短路電流產生的。

  動態或有源功率=P(電容式開關)+ P(短路電流)

  P(開關)=a電容式開關=a C(V)?2F

  C = 電容負載

  V = 電源電壓

  F = 開關頻率

  a = 開關活動

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

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

  靜態功率=DC功率

  P(靜態)= V× 泄漏

  靜態或泄漏功耗是電源電壓和泄漏電流的產物。泄漏功耗是泄漏晶體管和二極管的產物,在活動和靜止模式下會自動顯現。此外,它還取決于制造過程。靜態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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