一種智能手機的低功率損耗設(shè)計

1、一種智能手機的低功率損耗設(shè)計引言隨著通信產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，移動終端已經(jīng)由原來單一的通話功能向話音、數(shù) 據(jù)、圖像、音樂和多媒體方向綜合演變。而對于移動終端，基本上可以分成兩 種：一種是傳統(tǒng)手機(featurephone);另一種是智能手機(smartphone)。智 能手機具有傳統(tǒng)手機的基本功能，并有以下特點：開放的操作系統(tǒng)、硬件和軟 件的可擴充性和支持第三方的二次開發(fā)。相對于傳統(tǒng)手機，智能手機以其強大 的功能和便捷的操作等特點，越來越得到人們的青睞，將逐漸成為市場的一種 潮流。然而，作為一種便攜式和移動性的終端，完全依靠電池來供電，隨著智能手機 的功能越來越強大，其功率損耗也越來越大。因此，必須

2、提高智能手機的使用 時間和待機時間。對于這個問題，有兩種解決方案：一種是配備更大容量的手 機電池；另一種是改進系統(tǒng)設(shè)計，采用先進技術(shù)，降低手機的功率損耗?，F(xiàn)階段，手機配備的電池以鋰離子電池為主，雖然鋰離子電池的能量密度比以 往提升了近30 %，但是仍不能滿足智能手機發(fā)展需求。就目前使用的鋰離子電 池材料而言，能量密度只有20 %左右的提升空間。而另一種被業(yè)界普遍看做是 未來手機電池發(fā)展趨勢的燃料電池，能使智能手機的通話時間超過13h，待機時間長達1個月，但是這種電池技術(shù)仍不成熟，離商用還有一段時間 1。增大 手機電池容量總的趨勢上將會增加整機的成本。因此，從智能手機的總體設(shè)計入手，應(yīng)用先進的技

3、術(shù)和器件，進行降低功率損 耗的方案設(shè)計，從而盡可能延長智能手機的使用時間和待機時間。事實上，低 功耗設(shè)計已經(jīng)成為智能手機設(shè)計中一個越來越迫切的問題。1智能手機的硬件系統(tǒng)架構(gòu)本文討論的智能手機的硬件體系結(jié)構(gòu)是使用雙 CPU架構(gòu)，如圖1所示圈1智能手機的硬件架構(gòu)52RD.ccmn主處理器運行開放式操作系統(tǒng)，負責(zé)整個系統(tǒng)的控制。從處理器為無線Modem部分的DBB（數(shù)字基帶芯片），主要完成語音信號的A/D轉(zhuǎn)換、D/A 轉(zhuǎn)換、數(shù)字語音信號的編解碼、信道編解碼和無線 Modem 部分的時序控制。 主從處理器之間通過串口進行通信。主處理器采用GGG公司的CPU芯片，它采用CMOS工藝，擁有 ARM926E

4、J-S 內(nèi)核，采用 ARM 公司的AMBA（先進的 微控制器總線體系結(jié)構(gòu)），內(nèi)部含有16kB的指令Cache、16kB的數(shù)據(jù)Cache 和MMU（存儲器管理單元）。為了實現(xiàn)實時的視頻會議功能，攜帶了一個優(yōu)化 的MPEG4硬件編解碼器。能對大運算量的 MPEG4編解碼和語音壓縮解壓縮 進行硬件處理，從而能緩解 ARM內(nèi)核的運算壓力。主處理器上含有 LCD（液晶 顯示器）控制器、攝像機控制器、SDRAM和SROM控制器、很多通用的GPIO 口、SD卡接口等。這些使它能很出色地應(yīng)用于智能手機的設(shè)計中。在智能手機的硬件架構(gòu)中，無線 Modem 部分只要再加一定的外圍電路，如音 頻芯片、LCD、攝像機控

5、制器、傳聲器、揚聲器、功率放大器、天線等，就是 一個完整的普通手機（傳統(tǒng)手機）的硬件電路。模擬基帶（ABB）語音信號引腳和音 頻編解碼器芯片進行通信，構(gòu)成通話過程中的語音通道。從這個硬件電路的系統(tǒng)架構(gòu)可以看出，功耗最大的部分包括主處理器、無線 Modem、LCD和鍵盤的背光燈、音頻編解碼器和功率放大器。因此，在設(shè)計 中，如何降低它們的功耗，是一個很重要的問題。2低功耗設(shè)計2.1降低CPU部分的供電電壓和頻率在數(shù)字集成電路設(shè)計中，CMOS電路的靜態(tài)功耗很低，與其動態(tài)功耗相比基本 可以忽略不計，故暫不考慮。其動態(tài)功耗計算公式為：Pd=CTV2f式中：Pd為CMOS芯片的動態(tài)功耗；CT為CMOS芯片

6、的負載電容；V為 CMOS芯片的工作電壓；f為CMOS芯片的工作頻率。由式可知，CMOS電路中的功率消耗與電路的開關(guān)頻率呈線性關(guān)系，與供電 電壓呈二次平方關(guān)系。對于 CPU來說，Vcore電壓越高，時鐘頻率越快，則功 率消耗越大，所以，在能夠正常滿足系統(tǒng)性能的前提下，盡可能選擇低電壓工 作的CPU。對于已經(jīng)選定的CPU來說，降低供電電壓和工作頻率，能夠在總 體功耗上取得較好的效果。對于主CPU來說，內(nèi)核供電電壓為1.3V，已經(jīng)很小，而且其全速運行時的主 頻可以完全根據(jù)需要進行設(shè)置，其內(nèi)部所需的其他各種頻率都是通過主頻分頻 產(chǎn)生。主CPU主頻fCPU計算公式如下：JR k MHz52RD.com

7、式中：m=MDIV+8 ; p=PDIV+2 , s=SDIV ; MDIV、PDIV 和 SDIV 可以通過 寄存器進行設(shè)置。因此，設(shè)計中確定主CPU主頻對于整個系統(tǒng)的功耗和性能是一個關(guān)鍵。本文在 綜合考慮系統(tǒng)性能和功耗的基礎(chǔ)上，設(shè)置主 CPU主頻為204MHz。2.2DPMDPM(動態(tài)電源管理)是在系統(tǒng)運行期間通過對系統(tǒng)的時鐘或電壓的動態(tài)控制來 達到節(jié)省功率的目的，這種動態(tài)控制與系統(tǒng)的運行狀態(tài)密切相關(guān)，該工作往往 通過軟件來實現(xiàn)3,4。2.2.1定義不同的工作模式在硬件架構(gòu)中智能手機的工作模式與主 CPU的工作模式密切相關(guān)。為了降低功耗，主 CPU 定義了 4 種工作模式：GeneralC

8、lockGatingmode；IDLEmode : SLEEPmode ； Stopmode 。在主CPU主頻確定的情況下，智能 手機中定義了對應(yīng)的4種工作模式：正常工作模式(Normal);空閑模式(Idle);睡眠模式(Sleep);關(guān)機模式(OFF)。各種模式說明如下：a) 正常工作模式：主 CPU工作模式為 GeneralClockGatingmode;主CPU全速運行；時鐘頻率為204MHz。智能手機在這種狀態(tài)下功耗最大，根據(jù)不同的 運行狀態(tài)，如播放MP3、打電話、實際測量，這種模式下智能手機工作電流為 200mA左右。b) 空閑模式：主CPU工作模式為Idlemode，主CPU主時

9、鐘停止；時鐘頻率 為204MHz。在空閑狀態(tài)下，鍵盤背關(guān)燈和 LCD背光燈關(guān)閉，LCD上有待機 畫面，特定的事件可以使智能手機空閑模式進入正常工作模式，如點擊觸摸屏、定時喚醒、按鍵、來電等。c）睡眼模式：主CPU工作模式為SLEEPmode，除了主CPU內(nèi)部的喚醒邏輯 打開外，其余全關(guān)閉；主 CPU時鐘為使用36.768kHz的慢時鐘。除了Modem 以外，外設(shè)全部關(guān)閉，定義短時按開機鍵，使智能手機從睡眠模式下 喚醒進入正常工作狀態(tài)。d）關(guān)機模式：主CPU工作模式為stopmode，除了主CPU泄漏電流外，不消 耗功率；主CPU關(guān)閉。智能手機必須重新開機之后，才能進正常工作模式，實 際測量，手

10、機在這種模式下電流為 100吩。從以上看出，智能手機在正常工作模式下的功率比空閑模式、睡眠模式下大得 多。因此，當(dāng)用戶沒有對手機進行操作時，通過軟件設(shè)置，使手機盡快進入空 閑模式或睡眠模式；當(dāng)用戶對手機進行操作時，通過相應(yīng)的中斷喚醒主CPU，使手機恢復(fù)正常工作模式，處理完響應(yīng)的事件后迅速進入空閑模式或睡眠模 式。2.2.2關(guān)閉空閑的外設(shè)控制器和外設(shè)在硬件系統(tǒng)的架構(gòu)中，可以看到，主 CPU通過相應(yīng)的接口，外接了很多外部設(shè) 備，例如LCD、攝像機、lrDA（紅外適配器）、藍牙、音頻編解碼器、功率放大 器等設(shè)備。當(dāng)智能手機處于正常工作模式時，對處于空閑狀態(tài)的外設(shè)，可以通 過主CPU的GPIO 口，控

11、制給外設(shè)供電的LDO或者DC/DC電源芯片，通過 關(guān)閉外設(shè)的供電電源芯片，以達到關(guān)閉外設(shè)的目的。特別是對于大功耗的外 設(shè)，必須對其進行可靠的關(guān)閉。對于一些正在工作的外設(shè)，如音頻編解碼器，通過設(shè)置內(nèi)部的寄存器，關(guān)閉芯片內(nèi)部不使用的通道、功率放大器、D/A轉(zhuǎn)換器等，以降低這些器件工作時的功耗。對于主CPU的各種接口控制器，一般不會全部用到，即使智能手機處于正常工 作模式下，在不同運行狀態(tài)，各種接口控制器的使用狀況也是不同的；接口控 制器沒有處于工作狀態(tài)，如不將其關(guān)閉，仍會消耗電流。對于主 CPU來說，各 外設(shè)接口控制器的電流消耗2如下：NANDFIash為2.9mA ； LCD為5.8mA ； U

12、SBHOST 為 0.4mA ； USB 驅(qū)動器為 2.9mA ;定時器為 0.5mA ；SDI 為 1.9mA ； UART 為 3.6mA ； RTC 為 0.4mA ； A/ D 轉(zhuǎn)換器為 0.4mA ； IIC 為 0.6mA ； IIS 為 0.5mA ； SPI 為 0.5mA。在圖1所示的智能手機硬件架構(gòu)中，SPI接口、USBHOST接口沒有使用，因此可以通過設(shè)置SPCONO和HcControl寄存器永遠地關(guān)閉SPI和USBHOST接口，這樣可以節(jié)省0.9(0.5+0.4)mA 的電流。當(dāng)智能手機處于正常工作狀態(tài) 下，可以對空閑的接口控制器進行關(guān)閉，以進一步降低智能手機的功耗，還

13、可 以防止總線上倒灌電流的影響。2.3接口驅(qū)動電路的低功耗設(shè)計當(dāng)選擇智能手機外圍芯片如 SDRAM、LCD、攝像機、音頻編解碼器等器件 時，除了要考慮其性能外，還必須考慮其正常工作時的功耗。在設(shè)計接口電路 時，必須考慮以下幾個因素：2.3.1上拉電阻/下拉電阻的選取在COMS芯片上，為了防止靜電造成損壞，不用的引腳不能懸空，一般接下拉 電阻來降低輸入阻抗，提供泄荷通路。需要加上拉電阻來提高輸出電平，從而提高芯片輸入信號的噪聲容限來增強抗干擾能力。但是在選擇上拉電阻時，必 須要考慮以下幾點：a）從節(jié)約功耗及芯片的倒灌電流能力上考慮，上拉電阻應(yīng)足夠大，以減小電流；b）從確保足夠的驅(qū)動電流考慮，上拉

14、電阻應(yīng)足夠小，以增大電流；c）在高速電路中，過大的上拉電阻會使信號邊沿變得平緩，信號完整性會變 差。因此，在考慮能夠正常驅(qū)動后級的情況下（即考慮芯片的VIH或VIL），盡可能 選取更大的阻值，以節(jié)省系統(tǒng)的功耗。對于下拉電阻，情況類似。.3.2對懸空引腳的處理對于系統(tǒng)中CMOS器件的懸空引腳，必須給予重視。因為 CMOS懸空的輸入 端的輸入阻抗極高，很可能感應(yīng)一些電荷導(dǎo)致器件被高壓擊穿，而且還會導(dǎo)致 輸入端信號電平隨機變化，導(dǎo)致 CPU在休眠時不斷地被喚醒，從而無法進入睡 眠狀態(tài)或其他莫名其妙的故障。所以正確的方法是，根據(jù)引腳的初始狀態(tài)，將 未使用的輸入端接到相應(yīng)的供電電壓來保持高電平，或通過接

15、地來保持低電 平。2.3.3緩沖器的選擇緩沖器有很多功能，如電平轉(zhuǎn)換、增加驅(qū)動能力、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚩刂频?，?dāng) 僅僅基于驅(qū)動能力的考慮增加緩沖器時，必須慎重考慮，因驅(qū)動電流過大會導(dǎo) 致更多的能量被浪費掉。所以應(yīng)仔細檢查芯片的最大輸出電流IOH和IOL是否7A版優(yōu)質(zhì)實用文檔足夠驅(qū)動下級芯片，當(dāng)可以通過選取合適的前后級芯片時應(yīng)盡量避免使用緩沖2.4電源供給電路由于使用雙CPU架構(gòu)，外設(shè)很多，需要很多種電源。僅以主 CPU來說，就需 要1.3V、2.4V和2.8V電壓，因此需要很多電壓變化單元。通常，有以下幾種 電壓變換方式：線性調(diào)節(jié)器；DC/DC ; LDO（低漏失調(diào)節(jié)器）。其中LDO本質(zhì) 上是一種

16、線性穩(wěn)壓器，主要用于壓差較小的場合，所以將其合并為線性穩(wěn)壓 器。線性穩(wěn)壓器的特點是電路結(jié)構(gòu)簡單，所需元件數(shù)量少，輸入和輸出壓差可以很 大，但其致命弱點是效率低、功耗高，其效率 n完全取決于輸出電壓大小。DC/DC電路的特點是效率高、升降壓靈活，缺點是電路相對復(fù)雜，紋波噪聲 干擾較大，體積也相對較大，價格也比線性穩(wěn)壓高，對于升壓，只能使用DC/ DC。因此，在設(shè)計中，對于電源紋波噪音要求不嚴的情況，都是使用DC /DC的電壓轉(zhuǎn)換器件，這樣可以有效地節(jié)約能量，降低智能手機的功耗。2.5LED燈的控制智能手機電路中，鍵盤和LCD背光燈工作時會消耗大量能量。例如本文架構(gòu)中 使用的LCD，其背光燈電氣要

17、求如下：正向電流典型值為15mA，正向電壓典型值為14.4V ,背光燈消耗功率典型值為 216mW。由此可以看出，在正常工作時，LCD背景LED燈功耗非常大。因此，在設(shè)計中，必須降低LED燈的功耗?？梢酝ㄟ^以下方法：a）在LED燈回路中短接一個小電阻，改變阻值，用來控制LED燈工作時的電流。b）利用人眼的遲滯效應(yīng)，使用 PWM（脈寬調(diào)制）信號來控制LED燈的開關(guān)。在主CPU中，通過配置寄存器 GPCON_U、GPCON_L可以把GPIO20 GPIO23和GPIO2-GP1O5 配置成PWM 信號輸出，再配置內(nèi)部相應(yīng)的寄存 器，控制PWM輸出信號的頻率和占空比，作為控制引腳來控制 LED背光燈

18、， 以此來降低LCD背光燈的功耗。c）在手機圖形界面上提供一個調(diào)節(jié)背光燈亮度的界面，讓用戶在系統(tǒng)設(shè)置的 LED燈亮度基礎(chǔ)上，進一步調(diào)節(jié)背關(guān)燈的亮度，這樣，既增加了手機使用的靈 活性，又進一步降低了手機的功耗。2.6無線Modem 部分的控制如圖1所示，智能手機的硬件體系結(jié)構(gòu)采用雙 CPU架構(gòu)，無線Modem 作為 主CPU的一個外設(shè)，與主CPU芯片的其他外設(shè)相比，具有其特殊性，例如當(dāng) 智能手機處于睡眠模式時，可以直接關(guān)閉 LCD、攝像機等外設(shè)的供電電源，而 無線Modem 不行，必須要求無線 Modem 具有繼續(xù)等待來電、搜索網(wǎng)絡(luò)等功 能，而不能直接將其關(guān)閉。而對于本文硬件架構(gòu)中的無線Mode

19、m 方案，其中也擁有一個系統(tǒng)，內(nèi)部運行完整的 GSM（全球移動通信系統(tǒng)）協(xié)議和獨立的電源 管理模塊，主CPU可以通過UART 口和無線Modem 進行電源管理協(xié)商。無 線Modem 內(nèi)部的電源管理由自己來控制，當(dāng)無線 Modem 處于空閑狀態(tài)時， 自己能完好地進入和退出待機模式。因此，在本文的硬件架構(gòu)的設(shè)計上，當(dāng)智 能手機開機時，給無線 Modem 加電、關(guān)機時，對 Modem 進行斷電。2.7軟件優(yōu)化軟件優(yōu)化是一個很重要的工作，可以大大提高軟件運行時的效率和降低軟件運 行時的功耗。例如指令的重排，在不影響指令執(zhí)行結(jié)果的情況下，可以消除由 于裝載延遲、分支延遲、跳轉(zhuǎn)延遲等引起的指令流水線的失效5。如表1所示的ARM匯編，把指令轉(zhuǎn)變成二進制編碼后，不同之處就是各個寄存器操作數(shù) 的二進制編碼不同。根據(jù)表1，從電氣性能上來看，