移动设备中的功率管理之节能( 二)

　　 功率 vs. 电能

　　尽管人们在交谈中常常不免把功率和电能对等起来，但我们必须理解这两个概念之间的区别。在 移动 产品平台中，功率和电能的概念定义如下：

　　功率 = 电功/时间（瓦特）

　　电能 = 功率×时间（焦耳）

　　移动设备的功率是指其在每个时间单位内所消耗的电能。相反地，电能则是功率与时间之乘积。由于电池所存储的电能是有限的，电能管理的目的就是要将设备执行每个任务时所需要的电能最小化。在某些情况下，将功率最小化就是将电能消耗最小化，但并非所有情况都是如此。有些任务在执行时，在短时间内以高速度高功率工作所消耗的电能，比长时间以低速度低功率工作消耗的电能要少。

　　我们是该降低电能，还是降低功率，取决于应用的不同。那些持续时间固定的任务，例如播放视频或 音频 ，是一个重要的应用类别，其所需的电能和平均消耗功率是成正比的，因为任务的持续时间不变。这一类别的应用包含了等待，要么是在设备开启时等待用户输入，要么是在设备关闭时将数据保存在内存中，或让 时钟 计时。对于这类任务来说，将功率最小化就能将电能最小化。

　　因此，在谈到 节能 时，我们必须区分降低功率和降低电能之间的区别。电能和功率是有差别的。电能的公式是功率乘以时间。降低功率并不代表一定降低了电能。

　　这里有一个简单的例子。当静态功率可以忽略不计时，对于一个特定的应用，当其完成任务所需周期次数是一样时，不管应用是在短时间内以快速度完成，还是以一半的频率和两倍的时间来完成，所消耗的电能都是一样的。

　　但是，当系统中存在较大的静态功率（如偏置电流和泄漏）时，由于在整个活动期间的功率是一样的，以更低速度（或更低功率）运行时的功效就更低。

　　我们的目的是要将系统最优化以提高 能效 。功率可以分为两类：静态功率和有源功率。任何DC电流源（如基准电路）、模拟设计甚至是产品的意外短路，都会产生静态功率，而有源功率则来自采用Alpha 开关 的电路的开关行为。

　　而在另一方面，电能则是功率与时间的乘积：

　　图4：电能 vs. 功率。

　　电能

　　－ 等于功率和时间之乘积

　　－ 降低功率 ≠ 降低电能

　　降低功率很可能无法降低电能，比如当静态功率较高且频率减半时。虽然总功率降低了，但是由于需要多个时钟周期才能完成一个任务，如果频率减半了，那么就需要两倍的时间来完成，这样将增加执行任务所消耗的电能（如图4）。

　　功耗的原理

　　本节将概述功耗的原理。互补型金属氧化物 半导体 （ CMOS ） IC 的功耗可以分成动态功耗（开关＋短路）和静态功率。下面的等式展示了动态和静态功率的主要原理：

　　功率等式：P （平均） = P （开关） + P （短路） + P （静态）

　　动态和静态功率的原理

　　动态功耗来自电路的活动，是由开关电容和短路电流产生的。

　　动态或有源功率＝P（电容式开关）＋ P（短路电流）

　　P（开关）＝a电容式开关＝a C（V）？2F

　　C = 电容负载

　　V = 电源 电压

　　F = 开关频率

　　a = 开关活动

　　开关电容是动态功耗的主要来源，是由电容器的充放电产生的。从上面的方程式可以看出，共有4种方法可以降低动态功耗。我们将在随后的章节讨论这些方法。

　　P （短路） = V × l 短路P （短路） = 当开关状态下N和P通道同时活动导致暂时短路时产生的Crow-bar电流或过渡电流。

　　静态功率＝DC功率

　　P（静态）= V× 泄漏

　　静态或泄漏功耗是电源电压和泄漏电流的产物。泄漏功耗是泄漏 晶体管 和二极管的产物，在活动和静止模式下会自动显现。此外，它还取决于制造过程。静态功率包括次门限泄漏、反偏置泄漏和栅极泄漏电流。