3G手机技术发展与设计架构(4)3G手机面临严苛的低功耗设计需求-基础电子

精品文档-下载后可编辑G手机技术发展与设计架构(4)3G手机面临严苛的低功耗设计需求-基础电子新一代的3G手机标榜着更丰富多元的应用功能，以及更佳的移动影音效果，这虽是令消费者很期待的诉求，但要落实到手机的设计上时，除了要在有限空间中塞入更多元件的难题外，也得克服功耗设计上的瓶颈。过去的语音通话战友用的运算资源有限，只需采用低时脉的微处理器即可运作，但新的3G多媒体手机中，陆续整合中的Bluetooth、Wi-Fi、A-GPS、MobileTV等通信功能，将增加射频／基频的处理功耗；视频电话、电视或3D游戏，则会大幅提升应用处理器的运算负荷；此外，採用更大的萤幕及更佳的解析度，也会造成系统功耗的沈重负担。这些，都和多元功能的诉求背道而驰。

如果电池的容量能够有所突破的话，或许还能疏解手机对电力供应上的飢渴需求，但实际的情况是电池供电力虽逐年有提升，但远远比不上移动设备对供电需求的成长。就SIA在2022年更新发表的技术发展蓝图来看，电池供电力与容量平均每年成长1015％，但手机系统的电力需求却是以每年3540％的需求比例在成长中。在此情况下，手机耗电与电池供电的差距只会不断地扩大。

在电池电力难以相应提升的情况下，手机业者只好想尽办法做出功耗的设计，也就是从节流的角度，从微小的电晶体层级到晶片电路规划、再到系统层级的记忆体读写，以及软、硬件架构及演算法等各个面向，一一去做到低功耗、低洩露的省电策略及电源管理模式。以下将从不同的层面来探讨3G手机的低功耗设计议题。

■动态与静态功耗

根据2022年ITRS（InternationalTechnologyRoadmapforSemiconductors）的预估，到了2022年时，高效能晶片的电路闸长度（gatelength）等实体性参数将会比2022年时的数值缩减一半，但同时这些晶片的供电需求也将会增加。在发展蓝图的结论中指出：「耗电的增加来自于更高的晶片作业频率、更高的互连总体电容及电阻，以及由级数成长的晶片中电晶体增加的电路闸洩漏。」

要了解电子系统的耗电议题，需从动态功耗（DynamicPower）和静态功耗（StaticPower）两个面向来看。一个半导体元件的耗电，即是这两项功耗的加总：

Ptotal＝Pdynamic＋Pstatic

其中动态功耗是在运作模式中产生的功耗，此时信号值在切换、类比电路处于改变状态，也就是此元件正在操作某项应用功能，它可定义为：

Pdynamic＝Capacitance×Voltage2×Frequency

从这个方程式中我们可以看出，动态功耗来自于负载电容充放电和电流的切换，其中电压与功耗是平方关系，对功耗的直接影响，也就是说电压愈高，相对的功耗也会以级数上升；高速的频率同样也是提升功耗的杀手。因此降低电压与时脉是节省动态功耗的基本策略。

静态功耗则是当元件处于待机状态时产生的功耗，可表示如下：

Pstatic＝f（leakagecurrent）

静态功耗是洩露电流状况的涵数，它和使用的制程、晶片尺寸和电晶体中的电压有密切关系。当元件处于待机休眠状态时，电路本身难以避免会产生微小的电流释放，造成持续性的耗电。在过去的微米时代，动态功耗是手持设备耗电的主因，静态功耗的影响极微，但随着制程的微缩，静态的洩露电流持续上升，在进入90奈米后，静态功耗的提升更为快速，已是不容忽视