移動(dòng)設備中的功率管理之節能（二）

　　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(lái)，但我們必須理解這兩個(gè)概念之間的區別。在移動(dòng)產(chǎn)品平臺中，功率和電能的概念定義如下：

　　功率 = 電功/時(shí)間（瓦特）

　　電能 = 功率×時(shí)間（焦耳）

　　移動(dòng)設備的功率是指其在每個(gè)時(shí)間單位內所消耗的電能。相反地，電能則是功率與時(shí)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(gè)任務(wù)時(shí)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(wù)在執行時(shí)，在短時(shí)間內以高速度高功率工作所消耗的電能，比長(cháng)時(shí)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(shí)間固定的任務(wù)，例如播放視頻或音頻，是一個(gè)重要的應用類(lèi)別，其所需的電能和平均消耗功率是成正比的，因為任務(wù)的持續時(shí)間不變。這一類(lèi)別的應用包含了等待，要么是在設備開(kāi)啟時(shí)等待用戶(hù)輸入，要么是在設備關(guān)閉時(shí)將數據保存在內存中，或讓時(shí)鐘計時(shí)。對于這類(lèi)任務(wù)來(lái)說(shuō)，將功率最小化就能將電能最小化。

　　因此，在談到節能時(shí)，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(shí)間。降低功率并不代表一定降低了電能。

　　這里有一個(gè)簡(jiǎn)單的例子。當靜態(tài)功率可以忽略不計時(shí)，對于一個(gè)特定的應用，當其完成任務(wù)所需周期次數是一樣時(shí)，不管應用是在短時(shí)間內以快速度完成，還是以一半的頻率和兩倍的時(shí)間來(lái)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(tài)功率（如偏置電流和泄漏）時(shí)，由于在整個(gè)活動(dòng)期間的功率是一樣的，以更低速度（或更低功率）運行時(shí)的功效就更低。

　　我們的目的是要將系統最優(yōu)化以提高能效。功率可以分為兩類(lèi)：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(huì )產(chǎn)生靜態(tài)功率，而有源功率則來(lái)自采用Alpha開(kāi)關(guān)的電路的開(kāi)關(guān)行為。

　　而在另一方面，電能則是功率與時(shí)間的乘積：

　　圖4：電能 vs. 功率。

　　電能

　?。?等于功率和時(shí)間之乘積

　?。?降低功率 ≠ 降低電能

　　降低功率很可能無(wú)法降低電能，比如當靜態(tài)功率較高且頻率減半時(shí)。雖然總功率降低了，但是由于需要多個(gè)時(shí)鐘周期才能完成一個(gè)任務(wù)，如果頻率減半了，那么就需要兩倍的時(shí)間來(lái)完成，這樣將增加執行任務(wù)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(dòng)態(tài)功耗（開(kāi)關(guān)＋短路）和靜態(tài)功率。下面的等式展示了動(dòng)態(tài)和靜態(tài)功率的主要原理：

　　功率等式：P （平均） = P （開(kāi)關(guān)） + P （短路） + P （靜態(tài)）

　　動(dòng)態(tài)和靜態(tài)功率的原理

　　動(dòng)態(tài)功耗來(lái)自電路的活動(dòng)，是由開(kāi)關(guān)電容和短路電流產(chǎn)生的。

　　動(dòng)態(tài)或有源功率＝P（電容式開(kāi)關(guān)）＋ P（短路電流）

　　P（開(kāi)關(guān)）＝a電容式開(kāi)關(guān)＝a C（V）？2F

　　C = 電容負載

　　V = 電源電壓

　　F = 開(kāi)關(guān)頻率

　　a = 開(kāi)關(guān)活動(dòng)

　　開(kāi)關(guān)電容是動(dòng)態(tài)功耗的主要來(lái)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(dòng)態(tài)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(kāi)關(guān)狀態(tài)下N和P通道同時(shí)活動(dòng)導致暫時(shí)短路時(shí)產(chǎn)生的Crow-bar電流或過(guò)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(dòng)和靜止模式下會(huì )自動(dòng)顯現。此外，它還取決于制造過(guò)程。靜態(tài)功率包括次門(mén)限泄漏、反偏置泄漏和柵極泄漏電流。