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(gè)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(shí)間（瓦特）

　　電能 = 功率×?xí)r間（焦耳）

　　移動設(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)簡單的例子。當(dāng)靜態(tài)功率可以忽略不計(jì)時(shí)，對于一個(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。

　　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。互補(bǔ)型金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）IC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(shí)活動導(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。