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          移動設(shè)備中的功率管理之節(jié)能(二)

          作者: 時間:2013-01-19 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

            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,但我們必須理解這兩個概念之間的區(qū)別。在移動產(chǎn)品平臺中,功率和電能的概念定義如下:

            功率 = 電功/時間(瓦特)

            電能 = 功率×?xí)r間(焦耳)

            的功率是指其在每個時間單位內(nèi)所消耗的電能。相反地,電能則是功率與時間之乘積。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(shè)備執(zhí)行每個任務(wù)時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,在短時間內(nèi)以高速度高功率工作所消耗的電能,比長時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)時間固定的任務(wù),例如播放視頻或音頻,是一個重要的應(yīng)用類別,其所需的電能和平均消耗功率是成正比的,因為任務(wù)的持續(xù)時間不變。這一類別的應(yīng)用包含了等待,要么是在設(shè)備開啟時等待用戶輸入,要么是在設(shè)備關(guān)閉時將數(shù)據(jù)保存在內(nèi)存中,或讓時鐘計時。對于這類任務(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,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間。降低功率并不代表一定降低了電能。

            這里有一個簡單的例子。當(dāng)靜態(tài)功率可以忽略不計時,對于一個特定的應(yīng)用,當(dāng)其完成任務(wù)所需周期次數(shù)是一樣時,不管應(yīng)用是在短時間內(nèi)以快速度完成,還是以一半的頻率和兩倍的時間來完成,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,由于在整個活動期間的功率是一樣的,以更低速度(或更低功率)運行時的功效就更低。

            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)計甚至是產(chǎn)品的意外短路,都會產(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,電能則是功率與時間的乘積:

            移動設(shè)備中的功率管理之節(jié)能(二)

            移動設(shè)備中的功率管理之節(jié)能(二)

            圖4:電能 vs. 功率。

            電能

           ?。?等于功率和時間之乘積

           ?。?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。雖然總功率降低了,但是由于需要多個時鐘周期才能完成一個任務(wù),如果頻率減半了,那么就需要兩倍的時間來完成,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型金屬氧化物半導(dǎo)體CMOSIC的功耗可以分成動態(tài)功耗(開關(guān)+短路)和靜態(tài)功率。下面的等式展示了動態(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))

            動態(tài)和靜態(tài)功率的原理

            動態(tài)功耗來自電路的活動,是由開關(guān)電容和短路電流產(chǎn)生的。

            動態(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

            開關(guān)電容是動態(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通道同時活動導(dǎo)致暫時短路時產(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,在活動和靜止模式下會自動顯現(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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