《電子技術(shù)應(yīng)用》
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移動(dòng)設(shè)備中的功率管理之節(jié)能(二)
摘要: 移動(dòng)設(shè)備的功率是指其在每個(gè)時(shí)間單位內(nèi)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(chǔ)的電能是有限的,電能管理的目的就是要將設(shè)備執(zhí)行每個(gè)任務(wù)時(shí)所需要的電能最小化。
Abstract:
Key words :

  功率 vs. 電能

  盡管人們?cè)诮徽勚谐32幻獍压β屎碗娔軐?duì)等起來,但我們必須理解這兩個(gè)概念之間的區(qū)別。在移動(dòng)產(chǎn)品平臺(tái)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(shè)備的功率是指其在每個(gè)時(shí)間單位內(nèi)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(chǔ)的電能是有限的,電能管理的目的就是要將設(shè)備執(zhí)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(zhí)行時(shí),在短時(shí)間內(nèi)以高速度高功率工作所消耗的電能,比長(zhǎng)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(yīng)用的不同。那些持續(xù)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(yīng)用類別,其所需的電能和平均消耗功率是成正比的,因?yàn)槿蝿?wù)的持續(xù)時(shí)間不變。這一類別的應(yīng)用包含了等待,要么是在設(shè)備開啟時(shí)等待用戶輸入,要么是在設(shè)備關(guān)閉時(shí)將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存中,或讓時(shí)鐘計(jì)時(shí)。對(duì)于這類任務(wù)來說,將功率最小化就能將電能最小化。

  因此,在談到節(jié)能時(shí),我們必須區(qū)分降低功率和降低電能之間的區(qū)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(dāng)靜態(tài)功率可以忽略不計(jì)時(shí),對(duì)于一個(gè)特定的應(yīng)用,當(dāng)其完成任務(wù)所需周期次數(shù)是一樣時(shí),不管應(yīng)用是在短時(shí)間內(nèi)以快速度完成,還是以一半的頻率和兩倍的時(shí)間來完成,所消耗的電能都是一樣的。

  但是,當(dāng)系統(tǒng)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(yùn)行時(shí)的功效就更低。

  我們的目的是要將系統(tǒng)最優(yōu)化以提高能效。功率可以分為兩類:靜態(tài)功率和有源功率。任何DC電流源(如基準(zhǔn)電路)、模擬設(shè)計(jì)甚至是產(chǎn)品的意外短路,都會(huì)產(chǎn)生靜態(tài)功率,而有源功率則來自采用Alpha開關(guān)的電路的開關(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

  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

  降低功率很可能無法降低電能,比如當(dāng)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)間來完成,這樣將增加執(zhí)行任務(wù)所消耗的電能(如圖4)。

 

  功耗的原理

 

  本節(jié)將概述功耗的原理?;パa(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)IC的功耗可以分成動(dòng)態(tài)功耗(開關(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)功耗來自電路的活動(dòng),是由開關(guān)電容和短路電流產(chǎn)生的。

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

  P(開關(guān))=a電容式開關(guān)=a C(V)?2F

  C = 電容負(fù)載

  V = 電源電壓

  F = 開關(guān)頻率

  a = 開關(guān)活動(dòng)

  開關(guān)電容是動(dòng)態(tài)功耗的主要來源,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(jié)討論這些方法。

  P (短路) = V × l 短路P (短路) = 當(dāng)開關(guān)狀態(tài)下N和P通道同時(shí)活動(dòng)導(dǎo)致暫時(shí)短路時(shí)產(chǎn)生的Crow-bar電流或過渡電流。

  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(xiàn)。此外,它還取決于制造過程。靜態(tài)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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