5A版一種智能手機的低功率損耗設計

1、7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔一種智能手機的低功率損耗設計引言隨著通信產(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

2、率損耗也越來越大。因此，必須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)設計，采用先進技術，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

3、，從智能手機的總體設計入手，應用先進的技術和器件，進行降低功率損 耗的方案設計，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 功耗設計已經(jīng)成為智能手機設計中一個越來越迫切的問題。7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔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 所示主處理器運行開放式操作系統(tǒng)，負責整個系統(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 AD 轉(zhuǎn)換、 DA 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

4、 公司的 CPU 芯片，它 采用 CMOS 工藝，擁有 ARM926EJ-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用于智

5、能手機的設計中。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。7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔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 低功耗設計2.1 降低 CPU 部分的供電電壓和頻率在數(shù)字集成電路

6、設計中， 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 (1)式中：Pd為CMOS芯片的動態(tài)功耗； CT為CMOS芯片的負載電容； V為 CMOS 芯片的工作電壓； f 為 CMOS 芯片的工作頻率。由式 (1)可知， CMOS 電路中的功率消耗與電路的開關頻率呈線性關系，與供電 電壓呈二次平方關系。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

7、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：7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔式中： m=MDIV+8 ；p=PDIV+2 ，s=SDIV；MDIV、PDIV 和SDIV可以通過 寄存器進行設置。因此，設計中確定主 CPU 主頻對于整個系統(tǒng)的功耗和性能是一個關鍵。本文在 綜合考慮系統(tǒng)性能和功耗的基礎上，設置主 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)

8、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，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。為了降低功 耗，主 CPU 定義了 4 種工作模式： GeneralClockGatingmode ； IDLEmode ：SLEEPmode ； Stopmode 。在主 CPU 主頻確定的情況下，智能 手機中定義了對應的 4 種工作模式：正常工作模式 (Normal) ；空閑模式 (Idle) ；睡眠模式 (Sleep) ；關機模式 (OFF)。各種模式說明如下：a) 正常工作模式：主 CPU

9、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 主時鐘停止；時鐘頻率 為 204MHz 。在空閑狀態(tài)下，鍵盤背關燈和 LCD 背光燈關閉， LCD 上有待機7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔畫面，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

10、 SLEEPmode ，除了主 CPU 內(nèi)部的喚醒邏輯 打開外，其余全關閉；主 CPU 時鐘為使用 36.768kHz 的慢時鐘。除了 Modem 以外，外設全部關閉，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，手機在這種模式下電流為 100 A。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，當用戶沒有對手機進行操作時，通過軟件設置，使手機盡快進入空 閑模式或睡眠模式

11、；當用戶對手機進行操作時，通過相應的中斷喚醒主CPU ，使手機恢復正常工作模式，處理完響應的事件后迅速進入空閑模式或睡眠模 式。2.2.2 關閉空閑的外設控制器和外設在硬件系統(tǒng)的架構(gòu)中，可以看到，主 CPU 通過相應的接口，外接了很多外部設 備，例如 LCD、攝像機、 IrDA（ 紅外適配器 ）、藍牙、音頻編解碼器、功率放大 器等設備。當智能手機處于正常工作模式時，對處于空閑狀態(tài)的外設，可以通 過主 CPU 的 GPIO 口，控制給外設供電的 LDO 或者 DCDC 電源芯片，通過 關閉外設的供電電源芯片，以達到關閉外設的目的。特別是對于大功耗的外 設，必須對其進行可靠的關閉。對于一些正在工作

12、的外設，如音頻編解碼器，7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔通過設置內(nèi)部的寄存器，關閉芯片內(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)，如不將其關閉，仍會消耗電流。對于主CPU 來說，各外設接口控制器的電流消耗 2如下： NANDFlash 為 2.9mA ；LCD為 5.8mA ； USBHOST 為 0.4mA ；USB 驅(qū)動器為 2.9mA ；定時器為 0.5mA ； SDI 為 1.

13、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 此可以通過設置 SPCONO 和HcControl 寄存器永遠地關閉 SPI和 USBHOST 接口，這樣可以節(jié)省 0.9(0.5+0.4)mA 的電流。當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閉，以進一步降低智能手機的功耗，還可 以防止總線上倒灌電流的影響。2.3 接口驅(qū)動電路的低功耗設計當選擇智能手機外圍芯片如 SDRAM

14、 、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7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔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，上拉電阻應足夠大，以減小電 流；b）從確保足夠的驅(qū)動電流考慮，上拉電阻應足夠小，以增大電流；c）在高速電路中，過大

15、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，很可能感應一些電荷導致器件被高壓擊穿，而且還會導致 輸入端信號電平隨機變化，導致 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的供電電壓來保持高電平，或通過接地來保持低電 平。2.3.3

16、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?，?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 致更多的能量被浪費掉。所以應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7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔足夠驅(qū)動下級芯片，當可以通過選取合適的前后級芯片時應盡量避免使用緩沖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； DCDC；LDO（ 低漏失調(diào)節(jié)器 ）。其

17、中 LDO 本質(zhì) 上是一種線性穩(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 完全取決于輸出電壓大小。DCDC 電路的特點是效率高、升降壓靈活，缺點是電路相對復雜，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

18、 使用的 LCD，其背光燈電氣要求如下：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，在設計 中，必須降低 LED 燈的功耗?？梢酝ㄟ^以下方法：7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔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，使用 PWM（ 脈寬調(diào)制 ）信號來控制 LED 燈的開關。在主 CPU 中，通過配置寄存器 GPCON_U 、GPCON_L 可以把 GPIO20 一 GPIO23 和 GPIO

19、2-GPlO5 配置成 PWM 信號輸出，再配置內(nèi)部相應的寄存 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， 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)設置的 LED 燈亮度基礎上，進一步調(diào)節(jié)背關燈的亮度，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，與主 CPU 芯片的其他外設相比，具有其特殊性，例如當 智能手機處于睡眠模式時，可以直接關閉 LCD

20、、攝像機等外設的供電電源，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)絡等功 能，而不能直接將其關閉。而對于本文硬件架構(gòu)中的無線 Modem 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)的設計上，當智 能手機開機時，給無線 Modem 加電、關機時，對 Modem 進行斷電。7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實用文檔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