スマートウォッチの消費電力分析¶

消費電力分析では、想定される日々の使い方からバッテリー駆動時間を見積もり、最適化すべき負荷に優先順位を付けます。この記事では、付属のスマートウォッチの消費電力モデルをまとめたワークブック（英語版）を例に、各使用シナリオの1日あたりの消費量（mAh）を求める方法、電力予算を大きく占める負荷の見つけ方、表計算モデルを実測計画につなげる方法を説明します。

システム構成やファームウェアの指針は低消費電力設計の概要、モデルを検証する測定手順は電力測定と検証を参照してください。

スマートウォッチのシステム概要¶

まず、モデルの対象範囲を定めます。このワークブックでは、MCU、AMOLEDディスプレイ、振動モーター、および内訳を特定していないOther負荷を備えた、バッテリー駆動のスマートウォッチを想定しています。パネルのサイズや解像度、輝度設定、無線構成、個々のセンサーは特定されていません。以下のディスプレイ電流はワークブックへの入力値であり、測定記録による裏付けがないため、実測値ではなくモデルの仮定として扱ってください。特定パネルの仕様値でもありません。Otherはモデル上の区分であり、単一の物理部品を表すものではありません。

シナリオ別の消費電力¶

シナリオは、単一部品の動作ではなく、ユーザーまたはシステムが行う一連の処理を表します。たとえばメッセージ通知では、MCUが復帰し、AMOLEDが点灯し、振動モーターが作動し、バックグラウンド負荷も動作する場合があります。元の表でDisplayと記された行は、すべてAMOLEDディスプレイを指します。この一覧では各シナリオの部品別負荷をまとめ、計算済みの日次値も追跡できるようにしています。各値の算出に使った1日の発生回数と継続時間は、本記事後半の1日あたりの利用プロファイルに示します。

*ワークブックではこの列の見出しがPower-Conversion Efficiency (%)ですが、計算式は電圧比を示す補助値にすぎず、レギュレーターの実測効率ではありません。後述の「ワークブックの換算前提を確認する」で、バッテリー駆動時間の見積もりへの影響を説明します。この表の日次消費量と割合はワークブックの値を丸めたものです。正確な式と値はダウンロード可能なファイルを参照してください。優先順位を決めるときは下のランキング表を使い、負荷の前提となる電流や電圧を確認するときはこの一覧に戻ってください。

flowchart LR
    A["1日のユーザー行動を定義"] --> B["各負荷の電流と動作時間を設定"]
    B --> C["バッテリー側の1日あたりのmAhを合計"]
    C --> D["シナリオと部品ごとの寄与を順位付け"]
    D --> E["寄与の大きい負荷を実機で測定"]
    E --> F["前提を更新して繰り返す"]
    F --> B

シナリオの消費量を1日あたりに換算する¶

電流がすでにバッテリー側の値であれば、1日あたりの消費量は次の式で求められます。

daily_charge_mAh = current_mA x active_time_seconds_per_day / 3600

レギュレーター経由で給電される負荷は、時間を掛ける前にバッテリー側の電流へ換算します。

battery_current_mA = (load_voltage_V x load_current_mA) /
                     (battery_voltage_V x regulator_efficiency)

レギュレーター効率には、想定する負荷電流で測定した値を使ってください。レギュレーターの最大効率という謳い文句は、1日の大半を軽負荷で過ごすスマートウォッチではほとんど参考になりません。

ワークブックの換算前提を確認する¶

ワークブックのPower-Conversion Efficiency (%)列はload voltage / battery voltageで計算されています。後段の消費量の式では、この補助値とバッテリー電圧で除算するため、電圧項が相殺されます。その結果、1日の消費量は負荷電流と時間の積になります。バッテリー電流を負荷電流と同じとみなしており、理想的な電力変換の計算ではありません。静止電流を無視したリニアレギュレーターに近い扱いで、スイッチングレギュレーター全般に適用できるモデルではありません。

例えば、3.3 Vで1 mAを消費する負荷を3.87 Vのバッテリーから理想的なコンバーターで駆動すると、バッテリー電流は約0.853 mAですが、ワークブックでは1 mAとして計算されます。実際の値はコンバーターの効率と静止電流によって変わります。したがって、この換算の仮定だけでは、駆動時間の推定が楽観的か保守的かは判断できません。この順位は、電流と動作時間の前提を初期段階で確認する際には役立ちますが、最終的なバッテリー消費量の予算には使えません。製品の予算では、各電源レールと負荷範囲の実測効率で補助値を置き換え、静止電流も含めてください。ただし、効率測定に含まれている場合は重複して加算しないでください。バッテリー保護回路と充電経路の損失も考慮します。

製品の使い方から1日の消費量を算出する¶

同じシナリオでも、使われる頻度によって消費電力への影響は大きく変わります。ワークブックでは、代表的な1日の利用状況をモデル化するため、基準待機、通知、着信アラート、手首を上げる動作での画面点灯、心拍・SpO2測定、運動記録、アラーム、睡眠モニタリング、アプリ同期の各シナリオを有効にしています。NFC、Bluetooth通話、2種類のAODシナリオは発生回数がゼロに設定されているため、13.15日という結果には含まれていません。

元のマトリクスでシナリオ名のセルが空白なのは意図的です。シナリオ名の行に続く行が、ディスプレイ、振動モーター、Otherの負荷を表します。これらの行は直前のシナリオ行に記載された回数と時間を引き継ぐため、元データではシナリオ名を1度だけ記載しています。

最終的なバッテリー駆動時間の数値より、シナリオごとの順位のほうが設計改善に直結します。寄与の大きい項目から、改善仮説を立てて実測してください。

pie showData
    title 有効なシナリオ別の1日あたりの消費量（mAh）
    "手首を上げる動作での画面点灯" : 4.9020
    "通知" : 3.9996
    "睡眠モニタリング" : 2.3040
    "運動" : 2.1839
    "待機" : 2.0679
    "着信" : 0.7999
    "アラーム" : 0.6910
    "手動SpO2測定" : 0.3929
    "自動心拍測定" : 0.2616
    "アプリ同期" : 0.0800

画面点灯を伴うシナリオのうち、消費量の多い上位2つだけで、モデル上の1日あたりの消費量のおよそ半分を占めます。これは「ディスプレイは電力を使う」という一般論ではなく、検証可能な結果です。小さな負荷の改善に着手する前に、手首を上げる動作での画面点灯について、実際の発生回数、点灯時間、輝度、リフレッシュ動作、通知ポリシーを確認してください。

pie showData
    title ワークブックに明示されたカテゴリ別の1日あたりの消費量（mAh）
    "AMOLEDディスプレイ（9.56 mAh/日）" : 9.5595
    "MCU（4.62 mAh/日）" : 4.6163
    "振動モーター（2.22 mAh/日）" : 2.2203
    "その他／内訳未特定（1.29 mAh/日）" : 1.2866

図では残りの項目を意図的にOther / unallocated（内訳未特定）としてまとめています。ワークブックにはBluetooth、加速度センサー、ジャイロスコープそれぞれのバッテリー側消費量はありません。Bluetooth通話シナリオが無効だからといって、Bluetoothの消費電力がゼロだとは言えません。アプリ同期で無線を使う可能性もありますが、その電力量はワークブックで分離されていません。同様にセンサーの消費電力がOtherに含まれている可能性はありますが、加速度センサーとジャイロスコープの値を個別に算出することはできません。

MCU、ディスプレイ、振動モーター、Bluetooth、加速度センサーとジャイロスコープをまとめたセンサー群の5区分にするには、Bluetoothの待機・データ転送状態、加速度センサーとジャイロスコープそれぞれの動作モード・デューティー比を個別の行として追加します。各負荷はバッテリー入力で測定してください。電源レール側で測定した場合は、前述の式に実測したレギュレーター効率と各電圧を当てはめ、バッテリー側のmAhに換算してから合算します。その後、センサーやBluetoothの電力量を重複加算しないよう、Other / unallocated（内訳未特定）の値を置き換えてください。

MCUの基準消費量、シナリオ別の処理、センサー負荷を分けて考える¶

ワークブックにはMCUの明示的な区分がありますが、グラフィックス描画を独立した処理経路として分離していません。そのため、基準待機時のMCU項目と各使用シナリオに割り当てられたMCU項目を分けて評価するのが妥当です。センサー消費量は独立したカテゴリとして示されていません。

pie showData
    title 動作グループ別のMCU消費量（mAh/日）
    "基準待機" : 1.4854
    "ディスプレイ点灯を伴う操作" : 1.3013
    "睡眠モニタリング" : 1.6640
    "自動心拍測定" : 0.1656

誤った解釈を避けるには、次の2つの比較が役立ちます。

• **MCUの基準待機項目とディスプレイ点灯シナリオの項目：**基準待機は1日あたり1.49 mAhで、ディスプレイ点灯を伴うすべての操作シナリオでMCUに割り当てられた合計1.30 mAhをわずかに上回ります。このモデルでは、仮定上の基準電流を下げることは、これらのシナリオに伴うMCU処理全体を減らすことと少なくとも同程度に重要です。ワークブックはグラフィックス処理の消費量を個別に測定していません。
• **MCUの基準待機項目と、その他の明示されたMCU項目：**残りのMCU項目は合計3.13 mAh/日で、基準待機項目の2.11倍です。基準待機以外で最も大きい個別項目は睡眠モニタリングの1.66 mAh/日です。これはシナリオ単位でMCUに割り当てられた値であり、CPU単体の動作時電流を測定したものではありません。

ワークブックにはセンサー専用のカテゴリがありません。センサーの消費電力が含まれる可能性があるのはOtherだけですが、ここにはPMIC、無線、漏れ電流、その他のバックグラウンド負荷も含まれる可能性があります。Otherは1日あたり1.29 mAh（7.28%）です。仮にその全量をセンサー消費とみなしても、明示されたMCU区分は4.62 mAh/日で、Otherの1.29 mAh/日を上回り、約3.59倍です。これはワークブックのカテゴリ同士の比較であり、MCUのシリコンとセンサーを直接測定して比べたものではありません。センサーだけの消費量を求めるには、モデル上でセンサーレールをOtherから分離する必要があります。

寄与の大きい項目から設計改善につなげる¶

モデル上の寄与が大きい順に取り組み、測定結果で順位を確認します。このモデルでは、次の順序が妥当です。

1. **ディスプレイの動作方針：**手首を上げる動作で画面が点灯する際の一連の動作を測定します。MCUの消費電流を数µA単位で削ることに取り組む前に、誤検出、点灯時間、輝度、全画面の再描画、不要なアニメーションを減らします。
2. **通知の扱い：**製品の使い勝手を損なわない範囲で、緊急でない通知をまとめます。すべてのイベントで画面表示と振動の両方が必要か見直します。
3. **接続時の待機：**各イベント後にMCUが想定したスリープ状態へ移行していることを確認します。周期タイマー、ポーリング、Bluetoothコールバック、PM要求を点検します。
4. **振動パターン：**使用感を評価しながら振幅と時間を調整します。振動を短く、または弱くしても、通知のわかりやすさを損なわずに消費電力を抑えられる場合があります。
5. **長時間のセンサー動作：**睡眠モニタリングと運動記録を、センサーのデューティー比、処理、メモリーアクセス、無線動作まで含む一連のシナリオとして測定します。

表計算上の数値だけを最適化しないでください。復帰回数が増えたり、使い勝手が悪化したり、動作時間が延びたりすれば、期待した省電力効果が失われることがあります。

実機でモデルを検証する¶

測定結果で継続的に補正して初めて、モデルは設計に役立ちます。寄与の大きい各シナリオについて、バッテリーまたは電源の電圧、温度、基板リビジョン、ファームウェアリビジョン、有効にした無線機能、ディスプレイモード、測定レンジを記録してください。

プロファイルを実態に即して保つ¶

• 無効なシナリオは、消費電力がゼロなのではなく、予算に未計上だと扱います。現在のワークブックではNFC、Bluetooth通話、AODのシナリオがゼロになっています。
• ユーザーに見える機能とバックグラウンド動作は、別のシナリオにします。設計レビューで製品上のトレードオフが見えやすくなります。
• 可能であればバッテリー入力で測定してください。電源レールでの測定も有用ですが、バッテリー駆動時間の値にするにはレギュレーター損失と静止電流を加える必要があります。
• 前提は一度に1つずつ変更し、瞬時電流だけではなく、1日あたりのmAhを比較します。
• ディスプレイの動作方針、Bluetooth設定、センサー周期、電源管理方針、主要なファームウェア機能を変更したら、プロファイルを再計算してください。

要点¶

• バッテリー駆動時間は、使用可能なバッテリー容量を1日あたりの消費量で割って求めます。このモデルでは使用可能容量232.5 mAh、負荷17.68 mAh/日から13.15日と見積もっています。
• 付属モデルではディスプレイの動作が電力予算の大部分を占めます。手首を上げる動作での画面点灯とメッセージ通知だけで、1日あたりの消費量のおよそ半分になります。
• シナリオの順位を使うと、どこから測定・最適化すべきかがわかります。平均電流の単一値だけを見るより実務的です。
• ワークブックの予測を製品のバッテリー駆動時間として扱う前に、実際の電力変換効率と静止電流を反映してください。
• 現実的な使い方をモデル化し、寄与の大きいシナリオを測定し、前提を更新してから最適化する。このサイクルを繰り返してください。

最終更新: 2026-10-19