移动设备中的功率管理(一)

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作者：Findlay Shearer

问题和挑战

高性能的产品往往功耗也很高。设计人员的目标就是在某个特定设计中找到性能和功耗之间的完美平衡。当高速度成为产品的必需特征时，就需要实现性能的优化，并解决一切其它问题以实现低功耗。在系统级、芯片级甚至是晶体管级设计中，有很多设计和工艺方法可以实现经济型性能，达到较长的电池寿命。

缩小技术差距

图1总结了当前移动设备行业面临的主要挑战。1G、2G、3G和4G四代技术的阶梯函数反映了蜂窝式传输技术在速度上的改进。这种情况也应验了Shannon定律：即8个半月之内传输速率会提高一倍。根据摩尔定律，半导体厂家需要18个月来将晶体管的数量翻倍，从而将微处理器性能提高一倍；电池厂商需要5－10年的时间来在电池密度上实现较大的增加；而存储器存取速度则需要每隔12年才能够增高一倍。

图1：主要技术差距[1]

这些差距体现了移动设备行业面临的挑战，包括：

微处理器和存储带宽的差距

功耗降低的差距

算法复杂性的差距

这些差距是移动设备实现成功商业化所要面临的主要障碍。为了提供未来网络所需要的先进功能和服务，正如关于算法复杂性的Shannon定律所预测的一样，系统性能改进的速度必须高于摩尔定律中规定的速度，而不会扩大功耗。

在移动设备领域，人们以前一般是通过提高每个指令的效率或者同时执行多个指令来解决这一问题。但Shannon定律和摩尔定律之间差距的日益扩大，意味着光靠增加晶体管和提高频率已经无法将之缩小了。

保持常启，永不断电：移动时代的矛盾理论

掌上便携式设备让人们可以随时随地使用，却也让人们受到了电源线、插头和插口的限制。带多模式广播、彩色显示屏、3D音效、视频和游戏功能的高端设备要求电池在不充电的情况下拥有更多能量。人们的感觉从一直能够接触到电源的踏实感，变成电源远离带来的无助感。

便携式设备的用户俨然已经成为了“插口猎人”。他们总是在机场、酒店、会议室和家里四处寻找电源插口，给便携式设备充电。

给电池充电成为了人们新的例行公事。电源板上插满了便携式电子设备，就像在食槽里吃东西的动物。在你睡觉之前，必须把手持设备和手机插到插座上充电。而数码相机和iPod播放器也在墙壁插座上争夺地盘。人们的通勤时间变成了关键的充电时间。

你总能够看到穿着讲究的专业人士守在需要充电的设备旁边。旅行者的包里总是装着大把的充电器。在消费电子领域，充电已经成为了最少被提及却绝对最重要的话题。

电池的容量每年都在扩大，电路的发展也让设备的功效不断提高。但电池仍然不能满足人们对于使用时间的不断增加的期望。

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达到电池寿命和性能、成本之间的平衡

移动电子消费者已经习惯了音频产品的大小、重量、成本和电池寿命。新的产品无论具备什么功能，都会被人们以这些已有的因素来衡量。新型的以数据为核心的产品，如果与现有的音频产品相比有任何退步，都会影响它的推广。一个能够提供高速数据率的移动产品，需要更强大的计算功能和更大的RF功耗，从而必定导致更短的电池使用寿命。

在这一方面，每种技术都有会影响电池使用寿命的特殊的能量要求。电池技术的进步将改进所有的无线电接入技术，因此，现有的各种技术在使用电池能量的方式上的差异，很可能将持续一段时间。

图2展示了不同传输技术的峰值功耗对比。其中的数值考虑了数字处理和RF两个因素。

图2：各种蜂窝通信技术的移动功耗对比。