采用降壓轉換器進行動態電壓控制，降低便攜功耗

　　手機在傳統的2G技術基礎上的2.5G (GPRS)、2.75G (EDGE)和3G乃至更先進技術的手機所占的比例越來越高。這些較新或最新型手機的一個共同點，便是在傳統的語音通話等基本功能之外，又或多或少地集成了其它的功能，如MP3播放、拍照、視頻播放、游戲、移動電視和GPS等。另一方面，手機的屏幕也越來越大。這些功能或特色為手機帶來了更大的功率需求。

　　但是，手機等便攜產品所用電池在技術和商業應用方面的速度遠遠跟不上新型手機的功能集成及其所帶來的功率增加速度。也就是說，手機可用電池電能與新功能所要求的額外電量之間存在著很大的差距，這導致新功能手機在通話時間和電池使用時間上普遍地較較老的2G手機遜色。

　　因此，橫亙在工程師面前的是兩項挑戰：一是適應高集成度的趨勢，二是延長電池使用時間。在現有電池技術沒有根本性突破的情況下，電池的電量得不到大幅提升，因此，只能在降低手機不同功能的功率消耗方面下功夫。也就是說，低功耗設計對于成功的便攜設計而言越來越關鍵。

　　手機不同功能的功耗及降耗方法

　　手機包含不同的功能模塊，如調制解調器(MODEM)和射頻放大器、處理器、存儲器、音頻、顯示和背光及其他功能。不同功能模擬的功率消耗也各不相同。以一部智能手機為例，手機MODEM和射頻放大器這部分的電流消耗非常可觀，特別是射頻放大器要求很高峰值電流，因此這總分消耗的手機電池電量比任何其它部件都多，大約相當于總量的40%。

　　此外，主處理器需要運行操作系統，負責整個系統的控制，這部分的功率消耗約占總功耗的20%。此外，音頻和用戶界面(顯示和背光)各自約占10%的功耗。余下的則為存儲器和其它功率消耗。

　　圖1顯示了智能手機各個部分的功率消耗所占比例。要實現成功的低功耗設計，就需要分析和充分利用各個部分的降耗潛力。對于手機MODEM、RF放大器和音頻而言，受噪聲約束和最低電壓要求等限制，這些占總功耗50%的功耗難以減少。我們需要在剩余的部分中挖掘潛力。其中，就處理器和存儲器而言，二者占總功耗的27%，如果能夠減小這部分的功耗，對減少總體功耗也就會有所助益。

圖1  智能手機中各個功能部分的功率消耗占總功耗的比例

　　那么，對于處理器和存儲器這樣的數字CMOS芯片而言，可以采用什么樣的方法來降低功耗呢?主要包括兩方面，一方面是通過空閑和休眠等模式來進行數字功率控制，也就是功率管理器件通過空閑、休眠和快速喚醒模式來節省功耗，只有在需要時才會相應的功能模擬供電。另一方面就是采用動態功率控制，也就是將內核頻率與內核電壓結合起來進行動態調節，以此顯著降低功耗。

　　圖2顯示的是描述動態功耗的簡單公式，其中P為動態功耗，C為負載電容，V為工作電壓，f則為工作頻率。需要指出的是，這個公式并未將晶體管泄漏考慮在內，且C值也比較難以估計。

圖2  描述動態功耗的簡單公式

　　動態頻率與電壓調節的工作流程及示例

　　對于同一芯片而言，其頻率越高，需要的電壓也越高。從圖2所示的公式可以看出，單純降低頻率可以降低功率，但對于一個給定任務而言，消耗的總能量E等于功率P與時間t之乘積，而頻率與時間之乘積f