5A版一種智能手機(jī)的低功率損耗設(shè)計(jì)

1、7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔一種智能手機(jī)的低功率損耗設(shè)計(jì)引言隨著通信產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，移動(dòng)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(duì)于移動(dòng)終端，基本上可以分成兩 種：一種是傳統(tǒng)手機(jī) (featurephone) ；另一種是智能手機(jī) (smartphone) 。智 能手機(jī)具有傳統(tǒng)手機(jī)的基本功能，并有以下特點(diǎn)：開放的操作系統(tǒng)、硬件和軟 件的可擴(kuò)充性和支持第三方的二次開發(fā)。相對(duì)于傳統(tǒng)手機(jī)，智能手機(jī)以其強(qiáng)大 的功能和便捷的操作等特點(diǎn)，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(dòng)性的終端，完全依靠電池來供電，隨著智能手機(jī) 的功能越來越強(qiáng)大，其功

2、率損耗也越來越大。因此，必須提高智能手機(jī)的使用 時(shí)間和待機(jī)時(shí)間。對(duì)于這個(gè)問題，有兩種解決方案：一種是配備更大容量的手 機(jī)電池；另一種是改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，采用先進(jìn)技術(shù)，降低手機(jī)的功率損耗?，F(xiàn)階段，手機(jī)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(jī)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(jī)電池發(fā)展趨勢的燃料電池，能使智能手機(jī)的通話時(shí)間超過 13h ，待機(jī) 時(shí)間長達(dá) 1 個(gè)月，但是這種電池技術(shù)仍不成熟，離商用還有一段時(shí)間 1 。增大 手機(jī)電池容量總的趨勢上將會(huì)增加整機(jī)的成本。因此

3、，從智能手機(jī)的總體設(shè)計(jì)入手，應(yīng)用先進(jìn)的技術(shù)和器件，進(jìn)行降低功率損 耗的方案設(shè)計(jì)，從而盡可能延長智能手機(jī)的使用時(shí)間和待機(jī)時(shí)間。事實(shí)上，低 功耗設(shè)計(jì)已經(jīng)成為智能手機(jī)設(shè)計(jì)中一個(gè)越來越迫切的問題。7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔1 智能手機(jī)的硬件系統(tǒng)架構(gòu)本文討論的智能手機(jī)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(yùn)行開放式操作系統(tǒng)，負(fù)責(zé)整個(gè)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(hào)的 AD 轉(zhuǎn)換、 DA 轉(zhuǎn)換、數(shù)字語音信號(hào)的編解碼、信道編解碼和無線 Modem 部分的時(shí)序控制。 主從處理器之間通過串口進(jìn)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(jìn)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(chǔ)器管理單元 ） 。為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的視頻會(huì)議功能，攜帶了一個(gè)優(yōu)化 的 MPEG4 硬件編解碼器。能對(duì)大運(yùn)算量的 MPEG4 編解碼和語音壓縮解壓縮 進(jìn)行硬件處理，從而能緩解 ARM 內(nèi)核的運(yùn)算壓力。主處理器上含有 LCD（ 液晶 顯示器）控制器、攝像機(jī)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

5、能手機(jī)的設(shè)計(jì)中。在智能手機(jī)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(jī)控制器、傳聲器、揚(yáng)聲器、功率放大器、天線等，就是 一個(gè)完整的普通手機(jī) （傳統(tǒng)手機(jī) ）的硬件電路。模擬基帶 （ABB）語音信號(hào)引腳和音 頻編解碼器芯片進(jìn)行通信，構(gòu)成通話過程中的語音通道。7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔從這個(gè)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(jì) 中，如何降低它們的功耗，是一個(gè)很重要的問題。2 低功耗設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)中， CMOS 電路的靜態(tài)功耗很低，與其動(dòng)態(tài)功耗相比基本 可以忽略不計(jì)，故暫不考慮。其動(dòng)態(tài)功耗計(jì)算公式為：Pd=CTV2f (1)式中：Pd為CMOS芯片的動(dòng)態(tài)功耗； CT為CMOS芯片的負(fù)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(guān)頻率呈線性關(guān)系，與供電 電壓呈二次平方關(guān)系。對(duì)于 CPU 來說， Vcore 電壓越高，時(shí)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(duì)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(duì)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(yùn)行時(shí)的主 頻可以完全根據(jù)需要進(jìn)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(jì)算公式如下：7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)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(jìn)行設(shè)置。因此，設(shè)計(jì)中確定主 CPU 主頻對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的功耗和性能是一個(gè)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(dòng)態(tài)電源管理 )是在系統(tǒng)運(yùn)行期間通過對(duì)系統(tǒng)的時(shí)鐘或電壓的動(dòng)態(tài)

8、控制來 達(dá)到節(jié)省功率的目的，這種動(dòng)態(tài)控制與系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)密切相關(guān)，該工作往往 通過軟件來實(shí)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(jī)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： GeneralClockGatingmode ； IDLEmode ：SLEEPmode ； Stopmode 。在主 CPU 主頻確定的情況下，智能 手機(jī)中定義了對(duì)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(jī)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(yùn)行；時(shí)鐘頻率為 204MHz 。智能手機(jī)在這種狀態(tài)下功耗最大，根據(jù)不同的 運(yùn)行狀態(tài)，如播放 MP3 、打電話、實(shí)際測量，這種模式下智能手機(jī)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(shí)鐘停止；時(shí)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(jī)7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔畫面，特定的事件可以使智能手機(jī)空閑模式進(jìn)入正常工作模式，如點(diǎn)擊觸摸 屏、定時(shí)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(guān)閉；主 CPU 時(shí)鐘為使用 36.768kHz 的慢時(shí)鐘。除了 Modem 以外，外設(shè)全部關(guān)閉，定義短時(shí)按開機(jī)鍵，使智能手機(jī)從睡眠模式下 喚醒進(jìn)入正常工作狀態(tài)。d）關(guān)機(jī)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(jī)必須重新開機(jī)之后，才能進(jìn)正常工作模式，實(shí) 際測量，手機(jī)在這種模式下電流為 100 A。從以上看出，智能手機(jī)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(duì)手機(jī)進(jìn)行操作時(shí)，通過軟件設(shè)置，使手機(jī)盡快進(jìn)入空 閑模式或睡眠模式

11、；當(dāng)用戶對(duì)手機(jī)進(jìn)行操作時(shí)，通過相應(yīng)的中斷喚醒主CPU ，使手機(jī)恢復(fù)正常工作模式，處理完響應(yīng)的事件后迅速進(jìn)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(jī)、 IrDA（ 紅外適配器 ）、藍(lán)牙、音頻編解碼器、功率放大 器等設(shè)備。當(dāng)智能手機(jī)處于正常工作模式時(shí)，對(duì)處于空閑狀態(tài)的外設(shè)，可以通 過主 CPU 的 GPIO 口，控制給外設(shè)供電的 LDO 或者 DCDC 電源芯片，通過 關(guān)閉外設(shè)的供電電源芯片，以達(dá)到關(guān)閉外設(shè)的目的。特別是對(duì)于大功耗的外 設(shè)，必須對(duì)其進(jìn)行可靠的關(guān)閉。對(duì)于一些正在工作

12、的外設(shè)，如音頻編解碼器，7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔通過設(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(shí)的功耗。對(duì)于主 CPU 的各種接口控制器，一般不會(huì)全部用到，即使智能手機(jī)處于正常工 作模式下，在不同運(yùn)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(huì)消耗電流。對(duì)于主CPU 來說，各外設(shè)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(dòng)器為 2.9mA ；定時(shí)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(jī)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(yuǎn)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(jī)處于正常工作狀態(tài) 下，可以對(duì)空閑的接口控制器進(jìn)行關(guān)閉，以進(jìn)一步降低智能手機(jī)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(dòng)電路的低功耗設(shè)計(jì)當(dāng)選擇智能手機(jī)外圍芯片如 SDRAM

14、 、LCD 、攝像機(jī)、音頻編解碼器等器件 時(shí)，除了要考慮其性能外，還必須考慮其正常工作時(shí)的功耗。在設(shè)計(jì)接口電路 時(shí)，必須考慮以下幾個(gè)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(shí)用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔提高芯片輸入信號(hào)的噪聲容限來增強(qiáng)抗干擾能力。但是在選擇上拉電阻時(shí)，必 須要考慮以下幾點(diǎn)：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(dòng)電流考慮，上拉電阻應(yīng)足夠小，以增大電流；c）在高速電路中，過大

15、的上拉電阻會(huì)使信號(hào)邊沿變得平緩，信號(hào)完整性會(huì)變 差。因此，在考慮能夠正常驅(qū)動(dòng)后級(jí)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(duì)于下拉電阻，情況類似。.3.2 對(duì)懸空引腳的處理對(duì)于系統(tǒng)中 CMOS 器件的懸空引腳，必須給予重視。因?yàn)?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(huì)導(dǎo)致 輸入端信號(hào)電平隨機(jī)變化，導(dǎo)致 CPU 在休眠時(shí)不斷地被喚醒，從而無法進(jìn)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(dòng)能力、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚩刂频龋?dāng) 僅僅基于驅(qū)動(dòng)能力的考慮增加緩沖器時(shí)，必須慎重考慮，因驅(qū)動(dòng)電流過大會(huì)導(dǎo) 致更多的能量被浪費(fèi)掉。所以應(yīng)仔細(xì)檢查芯片的最大輸出電流 IOH 和IOL 是否7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔足夠驅(qū)動(dòng)下級(jí)芯片，當(dāng)可以通過選取合適的前后級(jí)芯片時(shí)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； 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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)是效率高、升降壓靈活，缺點(diǎn)是電路相對(duì)復(fù)雜，紋波噪聲 干擾較大，體積也相對(duì)較大，價(jià)格也比線性穩(wěn)壓高，對(duì)于升壓，只能使用 DC DC。因此，在設(shè)計(jì)中，對(duì)于電源紋波噪音要求不嚴(yán)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(jī)的功耗。2.5LED 燈的控制智能手機(jī)電路中，鍵盤和 LCD 背光燈工作時(shí)會(huì)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(shí)， LCD 背景 LED 燈功耗非常大。因此，在設(shè)計(jì) 中，必須降低 LED 燈的功耗?？梢酝ㄟ^以下方法：7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔a）在 LED 燈回路中短接一個(gè)小電阻，改變阻值，用來控制 LED 燈工作時(shí)的電 流。b）利用人眼的遲滯效應(yīng)，使用 PWM（ 脈寬調(diào)制 ）信號(hào)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 一 GPIO23 和 GPIO

19、2-GPlO5 配置成 PWM 信號(hào)輸出，再配置內(nèi)部相應(yīng)的寄存 器，控制 PWM 輸出信號(hào)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(jī)圖形界面上提供一個(gè)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(jìn)一步調(diào)節(jié)背關(guān)燈的亮度，這樣，既增加了手機(jī)使用的靈 活性，又進(jìn)一步降低了手機(jī)的功耗。2.6 無線 Modem 部分的控制如圖 1 所示，智能手機(jī)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(gè)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(jī)處于睡眠模式時(shí)，可以直接關(guān)閉 LCD

20、、攝像機(jī)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(duì)于本文硬件架構(gòu)中的無線 Modem 方案，其中 也擁有一個(gè)系統(tǒng)，內(nèi)部運(yùn)行完整的 GSM（ 全球移動(dòng)通信系統(tǒng) ）協(xié)議和獨(dú)立的電源 管理模塊，主 CPU 可以通過 UART 口和無線 Modem 進(jìn)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(shí)， 自己能完好地進(jìn)入和退出待機(jī)模式。因此，在本文的硬件架構(gòu)的設(shè)計(jì)上，當(dāng)智 能手機(jī)開機(jī)時(shí)，給無線 Modem 加電、關(guān)機(jī)時(shí)，對(duì) Modem 進(jìn)行斷電。7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔7A 版優(yōu)質(zhì)實(shí)用文檔2.7 軟件優(yōu)化 軟件優(yōu)化是一個(gè)很重要的工作，可以大大提高軟件運(yùn)行時(shí)的效率和降低軟件運(yùn) 行時(shí)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(jìn)制編碼后，不同之處