采用降壓轉(zhuǎn)換器進(jìn)行動(dòng)態(tài)電壓控制，降低便攜功耗

　　手機(jī)在傳統(tǒng)的2G技術(shù)基礎(chǔ)上的2.5G (GPRS)、2.75G (EDGE)和3G乃至更先進(jìn)技術(shù)的手機(jī)所占的比例越來越高。這些較新或最新型手機(jī)的一個(gè)共同點(diǎn)，便是在傳統(tǒng)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(dòng)電視和GPS等。另一方面，手機(jī)的屏幕也越來越大。這些功能或特色為手機(jī)帶來了更大的功率需求。

　　但是，手機(jī)等便攜產(chǎn)品所用電池在技術(shù)和商業(yè)應(yīng)用方面的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上新型手機(jī)的功能集成及其所帶來的功率增加速度。也就是說，手機(jī)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(dǎo)致新功能手機(jī)在通話時(shí)間和電池使用時(shí)間上普遍地較較老的2G手機(jī)遜色。

　　因此，橫亙在工程師面前的是兩項(xiàng)挑戰(zhàn)：一是適應(yīng)高集成度的趨勢，二是延長電池使用時(shí)間。在現(xiàn)有電池技術(shù)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(jī)不同功能的功率消耗方面下功夫。也就是說，低功耗設(shè)計(jì)對(duì)于成功的便攜設(shè)計(jì)而言越來越關(guān)鍵。

　　手機(jī)不同功能的功耗及降耗方法

　　手機(jī)包含不同的功能模塊，如調(diào)制解調(diào)器(MODEM)和射頻放大器、處理器、存儲(chǔ)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(jī)為例，手機(jī)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(jī)電池電量比任何其它部件都多，大約相當(dāng)于總量的40%。

　　此外，主處理器需要運(yùn)行操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)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(chǔ)器和其它功率消耗。

　　圖1顯示了智能手機(jī)各個(gè)部分的功率消耗所占比例。要實(shí)現(xiàn)成功的低功耗設(shè)計(jì)，就需要分析和充分利用各個(gè)部分的降耗潛力。對(duì)于手機(jī)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(chǔ)器而言，二者占總功耗的27%，如果能夠減小這部分的功耗，對(duì)減少總體功耗也就會(huì)有所助益。

圖1  智能手機(jī)中各個(gè)功能部分的功率消耗占總功耗的比例

　　那么，對(duì)于處理器和存儲(chǔ)器這樣的數(shù)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(jìn)行數(shù)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(jié)省功耗，只有在需要時(shí)才會(huì)相應(yīng)的功能模擬供電。另一方面就是采用動(dòng)態(tài)功率控制，也就是將內(nèi)核頻率與內(nèi)核電壓結(jié)合起來進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以此顯著降低功耗。

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

圖2  描述動(dòng)態(tài)功耗的簡單公式

　　動(dòng)態(tài)頻率與電壓調(diào)節(jié)的工作流程及示例

　　對(duì)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(duì)于一個(gè)給定任務(wù)而言，消耗的總能量E等于功率P與時(shí)間t之乘積，而頻率與時(shí)間之乘積f