移動設備中的功率管理之節能（二）

　　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別。在移動產品平臺中，功率和電能的概念定義如下：

　　功率 = 電功/時間（瓦特）

　　電能 = 功率×時間（焦耳）

　　移動設備的功率是指其在每個時間單位內所消耗的電能。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備執行每個任務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。有些任務在執行時，在短時間內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，取決于應用的不同。那些持續時間固定的任務，例如播放視頻或音頻，是一個重要的應用類別，其所需的電能和平均消耗功率是成正比的，因為任務的持續時間不變。這一類別的應用包含了等待，要么是在設備開啟時等待用戶輸入，要么是在設備關閉時將數據保存在內存中，或讓時鐘計時。對于這類任務來說，將功率最小化就能將電能最小化。

　　因此，在談到節能時，我們必須區分降低功率和降低電能之間的區別。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。當靜態功率可以忽略不計時，對于一個特定的應用，當其完成任務所需周期次數是一樣時，不管應用是在短時間內以快速度完成，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，當系統中存在較大的靜態功率（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最優化以提高能效。功率可以分為兩類：靜態功率和有源功率。任何DC電流源（如基準電路）、模擬設計甚至是產品的意外短路，都會產生靜態功率，而有源功率則來自采用Alpha開關的電路的開關行為。

　　而在另一方面，電能則是功率與時間的乘積：

　　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，比如當靜態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，如果頻率減半了，那么就需要兩倍的時間來完成，這樣將增加執行任務所消耗的電能（如圖4）。

　　功耗的原理

　　本節將概述功耗的原理。互補型金屬氧化物半導體（CMOS）IC的功耗可以分成動態功耗（開關＋短路）和靜態功率。下面的等式展示了動態和靜態功率的主要原理：

　　功率等式：P （平均） = P （開關） + P （短路） + P （靜態）

　　動態和靜態功率的原理

　　動態功耗來自電路的活動，是由開關電容和短路電流產生的。

　　動態或有源功率＝P（電容式開關）＋ P（短路電流）

　　P（開關）＝a電容式開關＝a C（V）？2F

　　C = 電容負載

　　V = 電源電壓

　　F = 開關頻率

　　a = 開關活動

　　開關電容是動態功耗的主要來源，是由電容器的充放電產生的。從上面的方程式可以看出，共有4種方法可以降低動態功耗。我們將在隨后的章節討論這些方法。

　　P （短路） = V × l 短路P （短路） = 當開關狀態下N和P通道同時活動導致暫時短路時產生的Crow-bar電流或過渡電流。

　　靜態功率＝DC功率

　　P（靜態）= V× 泄漏

　　靜態或泄漏功耗是電源電壓和泄漏電流的產物。泄漏功耗是泄漏晶體管和二極管的產物，在活動和靜止模式下會自動顯現。此外，它還取決于制造過程。靜態功率包括次門限泄漏、反偏置泄漏和柵極泄漏電流。