采用降壓轉換器進(jìn)行動(dòng)態(tài)電壓控制，降低便攜功耗

　　手機在傳統的2G技術(shù)基礎上的2.5G (GPRS)、2.75G (EDGE)和3G乃至更先進(jìn)技術(shù)的手機所占的比例越來(lái)越高。這些較新或最新型手機的一個(gè)共同點(diǎn)，便是在傳統的語(yǔ)音通話(huà)等基本功能之外，又或多或少地集成了其它的功能，如MP3播放、拍照、視頻播放、游戲、移動(dòng)電視和GPS等。另一方面，手機的屏幕也越來(lái)越大。這些功能或特色為手機帶來(lái)了更大的功率需求。

　　但是，手機等便攜產(chǎn)品所用電池在技術(shù)和商業(yè)應用方面的速度遠遠跟不上新型手機的功能集成及其所帶來(lái)的功率增加速度。也就是說(shuō)，手機可用電池電能與新功能所要求的額外電量之間存在著(zhù)很大的差距，這導致新功能手機在通話(huà)時(shí)間和電池使用時(shí)間上普遍地較較老的2G手機遜色。

　　因此，橫亙在工程師面前的是兩項挑戰：一是適應高集成度的趨勢，二是延長(cháng)電池使用時(shí)間。在現有電池技術(shù)沒(méi)有根本性突破的情況下，電池的電量得不到大幅提升，因此，只能在降低手機不同功能的功率消耗方面下功夫。也就是說(shuō)，低功耗設計對于成功的便攜設計而言越來(lái)越關(guān)鍵。

　　手機不同功能的功耗及降耗方法

　　手機包含不同的功能模塊，如調制解調器(MODEM)和射頻放大器、處理器、存儲器、音頻、顯示和背光及其他功能。不同功能模擬的功率消耗也各不相同。以一部智能手機為例，手機MODEM和射頻放大器這部分的電流消耗非?？捎^(guān)，特別是射頻放大器要求很高峰值電流，因此這總分消耗的手機電池電量比任何其它部件都多，大約相當于總量的40%。

　　此外，主處理器需要運行操作系統，負責整個(gè)系統的控制，這部分的功率消耗約占總功耗的20%。此外，音頻和用戶(hù)界面(顯示和背光)各自約占10%的功耗。余下的則為存儲器和其它功率消耗。

　　圖1顯示了智能手機各個(gè)部分的功率消耗所占比例。要實(shí)現成功的低功耗設計，就需要分析和充分利用各個(gè)部分的降耗潛力。對于手機MODEM、RF放大器和音頻而言，受噪聲約束和最低電壓要求等限制，這些占總功耗50%的功耗難以減少。我們需要在剩余的部分中挖掘潛力。其中，就處理器和存儲器而言，二者占總功耗的27%，如果能夠減小這部分的功耗，對減少總體功耗也就會(huì )有所助益。

圖1  智能手機中各個(gè)功能部分的功率消耗占總功耗的比例

　　那么，對于處理器和存儲器這樣的數字CMOS芯片而言，可以采用什么樣的方法來(lái)降低功耗呢?主要包括兩方面，一方面是通過(guò)空閑和休眠等模式來(lái)進(jìn)行數字功率控制，也就是功率管理器件通過(guò)空閑、休眠和快速喚醒模式來(lái)節省功耗，只有在需要時(shí)才會(huì )相應的功能模擬供電。另一方面就是采用動(dòng)態(tài)功率控制，也就是將內核頻率與內核電壓結合起來(lái)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調節，以此顯著(zhù)降低功耗。

　　圖2顯示的是描述動(dòng)態(tài)功耗的簡(jiǎn)單公式，其中P為動(dòng)態(tài)功耗，C為負載電容，V為工作電壓，f則為工作頻率。需要指出的是，這個(gè)公式并未將晶體管泄漏考慮在內，且C值也比較難以估計。

圖2  描述動(dòng)態(tài)功耗的簡(jiǎn)單公式

　　動(dòng)態(tài)頻率與電壓調節的工作流程及示例

　　對于同一芯片而言，其頻率越高，需要的電壓也越高。從圖2所示的公式可以看出，單純降低頻率可以降低功率，但對于一個(gè)給定任務(wù)而言，消耗的總能量E等于功率P與時(shí)間t之乘積，而頻率與時(shí)間之乘積f