电子信息设备中的低功耗设计方法与实现技术

引言

在信息技术飞速发展的今天，电子信息设备已经成为人们生活和工作中不可或缺的一部分。从智能手机到智能手表，从智能家居系统到工业自动化设备，这些设备的功能日益强大，但同时也带来了功耗不断增加的问题。高功耗不仅导致设备续航时间缩短，频繁充电给用户带来不便，还会产生大量热量，影响设备的稳定性和可靠性。因此，低功耗设计成为了电子信息设备研发过程中的关键环节。通过低功耗设计，可以在有限的电池容量下，延长设备的使用时间，提高设备的性能和用户满意度。低功耗设计也符合当今社会对节能减排的要求，具有重要的社会和经济意义。

一、低功耗设计的硬件方法

1. 低功耗芯片设计

芯片作为电子信息设备的核心部件，其功耗对系统整体能效具有决定性影响。在低功耗芯片设计中，先进半导体工艺是基础支撑。随着工艺节点从 28nm 演进至 7nm 及以下，晶体管尺寸缩小显著降低了动态功耗与寄生电容，同时引入高 κ 金属栅极与应变硅技术进一步抑制短沟道效应。采用 FinFET 等三维晶体管结构可有效控制亚阈值漏电流，提升开关比与能效比。在架构层面，异构多核设计结合动态电压频率调节（DVFS）技术，可根据工作负载智能调度核心启用状态，实现性能与功耗的精细平衡。例如ARM的 big.LITTLE 架构通过高性能核心与高能效核心协同工作，显著降低平均功耗。此外，电源管理单元（PMU）需集成多电压域与电源门控机制，支持模块级关断与反向体偏置技术，以消除静态功耗。同时，采用近阈值计算（Near-Threshold Computing）技术可在保证功能正确性的前提下，将供电电压逼近晶体管阈值电压，实现超高能效运算。结合物理设计阶段的时钟门控、数据门控与低摆幅信号传输等方法，从电路级进一步压缩动态功耗。综上，低功耗芯片设计需在工艺、器件结构、微架构与电路级多维度协同优化，以满足现代电子信息设备对高能效比的严苛需求。

2. 电源管理电路优化

电源管理电路负责将电池或外部电源的电能高效转换为系统各模块所需的电压和电流，其优化对整机能效具有决定性影响。采用高效率电压调节器是核心手段，其中开关模式电源（SMPS）凭借其高达 90% 以上的转换效率，显著降低能量损耗，尤其适用于宽输入电压范围和高功率密度场景。与之相比，低压差线性稳压器（LDO）虽噪声低、响应快，但效率受限，适用于对噪声敏感的模拟或射频模块。动态电压调节（DVS）技术结合动态频率调节（DFS），构成动态电压频率调节（DVFS）机制，依据负载需求实时调整供电电压与工作频率，在性能与功耗间实现最优权衡。先进电源管理单元（PMU）集成多相降压变换器与数字控制环路，支持纳秒级响应速度，提升瞬态负载调节能力。电源门控（PowerGating）技术通过休眠晶体管切断非活跃模块的电源域，有效抑制亚阈值漏电引起的静态功耗，结合体偏置技术可进一步增强漏电控制。此外，多电压域（Multi-Voltage Domain）设计允许不同功能模块独立供电，配合时钟门控与数据保持电路，实现精细粒度的功耗管理。在系统级封装（SiP）或片上系统（SoC）中，集成化电源管理 IC（PMIC）通过优化电感、电容布局与电源网络阻抗，降低寄生损耗，提升整体电源完整性。综上，电源管理电路需在拓扑选择、控制策略与物理实现层面协同优化，以支撑低功耗电子系统的高性能与长续航需求。

二、低功耗设计的软件方法

1. 操作系统级优化

操作系统作为电子信息设备的核心软件，在系统级功耗管理中发挥关键作用。其通过集成动态电压频率调节（DVFS）与任务调度协同机制，依据任务负载特性动态调整 CPU 工作点，实现能效最优。现代操作系统采用基于负载预测的调度算法，如 Linux的 Energy-Aware Scheduling（EAS）， 结 合 PELT（Per-entityLoad Tracking）技术，精确评估任务能耗并分配至合适的核心，提升异构多核架构（如 ARM big.LITTLE）的能效比。在空闲状态下，操作系统通过调用 ACPI 定义的 C-states（如 C1～C6）或 ARM的WFI/DTF 指令，使处理器进入深度睡眠模式，显著降低静态功耗。同时，操作系统通过Runtime PM 机制对 I/0 外设（如Wi-Fi、蓝牙、传感器）实施细粒度电源控制，在设备非活跃时将其置于低功耗状态。此外，基于用户行为建模与场景识别（如通话、视频、待机），操作系统动态调节屏幕亮度（背光 PWM 控制）、GPU 频率、无线模块发射功率等参数，并结合电池健康状态与温度反馈，实施自适应电源管理策略。通过整合硬件 PMU 接口与内核级电源管理框架（如 Linux PM QoS、Windows Power Engine），实现跨层级的功耗 -性能协同优化，支撑系统整体能效提升。

2. 应用程序优化

应用程序的设计与优化在系统级能效管理中具有关键作用。除采用高效的算法与数据结构以降低计算复杂度外，应结合硬件特性进行访存优化与并行化设计，减少 CPU/GPU 的执行周期与上下文切换开销。对于 1/0 密集型应用，应聚合读写操作、启用延迟提交机制，并利用操作系统提供的批处理接口（如 Linux 的epoll、Android 的 JobScheduler）避免频繁唤醒 CPU。在后台行为控制方面，需遵循移动平台的电源管理规范，采用高阶唤醒机制（如 AlarmManager 的非精确触发、WorkManager 的约束任务调度），抑制无谓的周期性唤醒。同时，应用应集成动态功耗感知模块，基于系统电量、温度及负载状态实施自适应降级策略，如在低电量模式下降低渲染分辨率、关闭非核心动画效果、缩减传感器采样频率。进一步地，利用机器学习模型预测用户使用模式，可实现资源预加载与组件休眠的精细平衡。通过与操作系统 PM 框架协同（如注册 PowerManager.WakeLock 的合理使用、遵循 Doze模式约束），确保应用在满足用户体验的前提下最小化能源消耗。此 外， 借 助 性 能 功 耗 分 析 工 具（ 如 Perf、Systrace、BatteryHistorian）进行功耗热点定位，是实现精细化能效优化的重要手段。

结论

电子信息设备的低功耗设计是一个涉及硬件和软件多个层面的复杂问题。通过硬件层面的低功耗芯片设计、电源管理电路优化，以及软件层面的操作系统级优化和应用程序优化等多种方法的综合应用，可以在保证设备性能的前提下，有效降低设备的功耗。然而，当前的低功耗设计仍然面临着一些挑战，如在追求更低功耗的如何保证设备的高性能；如何在不同类型的设备中实现通用的低功耗设计方法等。未来，随着半导体技术、软件技术的不断发展，电子信息设备的低功耗设计将朝着更加智能化、集成化的方向发展。例如，采用人工智能算法实现更加精准的功耗管理，将硬件和软件的低功耗设计进行深度融合等。随着物联网、5G 等技术的广泛应用，对电子信息设备的低功耗设计也提出了更高的要求。因此，持续深入地研究电子信息设备的低功耗设计方法与实现技术具有重要的现实意义。

参考文献

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[2] 高剑平. 低功耗无线通信技术在智能家居中的实现[J].智慧中国 ，2025，（03）：42-43.