低功耗手持多媒體終端硬件平臺(tái)的研究

　摘要：通過選擇低功耗器件，特別是高效率DC/DC變換器，合理進(jìn)行電路板布線，優(yōu)化結(jié)構(gòu)級(jí)設(shè)計(jì)，進(jìn)行系統(tǒng)級(jí)功率管理，從而延長(zhǎng)電池工作時(shí)間。根據(jù)多媒體終端的要求，選擇了許多新工藝器件，極大地降低了系統(tǒng)功耗。

關(guān)鍵詞：低功耗 OMAP1510 能源效率 DC/DC變換器

　　手機(jī)、PDA等手持設(shè)備對(duì)圖像、音頻處理能力的要求日益提高，同時(shí)要求設(shè)備的體積、重量越來越小。這些設(shè)備一般靠單節(jié)可充電鋰電池作為電源。因而提高處理能力，降低系統(tǒng)功耗以延長(zhǎng)電池工作時(shí)間是手持設(shè)備的重要研究課題[1]。

　　參考文獻(xiàn)[1]討論了低功耗的系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)，特別強(qiáng)調(diào)減小電容，縮減不必要的開關(guān)行為，降低電壓和頻率。外部器件間的連接通常比片上連接電容更大。實(shí)驗(yàn)證明10%～40%的能量消耗在總線多工器驅(qū)動(dòng)器上。應(yīng)減少輸出，盡量使用片上資源。單純降低頻率并不能降低功耗，因?yàn)橥瓿赏瑯拥娜蝿?wù)需要更長(zhǎng)的時(shí)間。降低電壓會(huì)導(dǎo)致性能降低，通過增加并行器件來彌補(bǔ)。選擇低電壓的CMOS芯片，芯片內(nèi)各個(gè)功能模塊應(yīng)能分別進(jìn)行低功耗的管理。CMOS器件的功耗主要分兩類：靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗。運(yùn)態(tài)功耗依賴于工作頻率，靜態(tài)功耗與工作頻率無關(guān)。偏置電流(Pb)和泄漏電流（Pl）引起靜態(tài)功耗，短路電流(Psc)和動(dòng)態(tài)功耗(Pd)是由電路的開關(guān)行為引起的。器件總功耗P可以表示為：

P=Pd+Psc+Pb+Pl

Pd=Caff V2 f

Ceff= C

　　上式中，V和f分別是器件工作電壓和頻率，Ceff是等效的開關(guān)電容，C是允放電電容，是活躍性加權(quán)因子，表示電路狀態(tài)發(fā)生改變的概率。CMOS器件功耗的85～90%是動(dòng)態(tài)功耗，而動(dòng)態(tài)功耗與工作電壓的平方成正比。因此選擇低電壓器件能極大地降低功耗。

1 主處理器選擇

　　目前在手持設(shè)備中，主要運(yùn)用ARM處理。ARM處理器的優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格低、功耗小，特別適合各種控制功能[2]。ARM芯片采用馮·諾依曼結(jié)構(gòu)，指令、數(shù)據(jù)地址存儲(chǔ)統(tǒng)一編址，使用單一的32位數(shù)據(jù)總線傳送指令和數(shù)據(jù)。這種體系結(jié)構(gòu)使ARM控制功能較強(qiáng)，媒體處理速度較慢，適合人機(jī)接口和通信協(xié)議。為了提高媒體處理能力，INTEL在PXA250 Xscale芯片上增加了協(xié)處理器，用來進(jìn)行乘累加。TI的OMAP1510芯片內(nèi)部集成了一個(gè)ARM925核及一個(gè)C55X核。ARM工作頻率高達(dá)175MHz。C55X采用哈佛結(jié)構(gòu)，具有程序總線、三條讀數(shù)據(jù)總線和二條寫數(shù)據(jù)總線。C55X具有兩個(gè)硬件乘累加單元、兩個(gè)ALU，還有用于DCT/IDCT、運(yùn)動(dòng)估計(jì)、1/2像素內(nèi)插的硬件加速器。工作電壓1.6V，視頻高達(dá)到200MHz。C55x指令集從8～48比特，改善了代碼密度，減少了存儲(chǔ)器訪問次數(shù)。

2 最小單片機(jī)系統(tǒng)（存儲(chǔ)器）

　　目前存儲(chǔ)器主要有：SRAM、SDRAM、FRAM、EEPROM、FLASH。由于平臺(tái)常存儲(chǔ)大量數(shù)據(jù)，如操作系統(tǒng)應(yīng)用程序，可以選擇FLASH，如INTEL 28F128L18[3]。28F128L18初始訪問時(shí)間是85ns，異步頁模式為25ns，同步突發(fā)為54MHz，能在讀周期完成后自動(dòng)進(jìn)入功率節(jié)省模式，片選無效或復(fù)位有效時(shí)進(jìn)入standby模式，電流大約50uA，異步讀電流大約18mA。為了回快應(yīng)用程序的招執(zhí)，配置SDRAM或者SRAM。由于SDRAM比SRAM容量大、價(jià)格便宜，選用SDRAM用于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。由于系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)，大功耗元件除LCD背景光外，就是SDRAM。償和部分陣列刷新的Mobile SDRAM產(chǎn)品對(duì)降低功耗十分重要。如SAMSUNG K4M28163PD-RS1L，自動(dòng)刷新電流85mA，4 bank激活突發(fā)模式為50mA，可使能SDRAM自動(dòng)預(yù)充。這樣在每次突發(fā)讀寫后，該bank進(jìn)入空閑狀態(tài)，電流可降到5.5mA。OMAP1510對(duì)K4M28163PD-RS1L進(jìn)行控制時(shí)，應(yīng)置K4S56163-RR75為全頁突發(fā)，以減小訪問時(shí)間，降低功耗。系統(tǒng)常有一些數(shù)據(jù)量不大的數(shù)據(jù)需要保存，可采用鐵電存儲(chǔ)器，如聲音的音量、LCD的亮度。這些參數(shù)如果保存到FLASH或者EEPROM，功耗會(huì)更大。FLASH需要整塊擦除。RAMTRON的FM24CL16在3V電源100kHz頻率讀寫時(shí)，電流為75uA,standby電流為1uA。ATMEL AT24C16在5V 100kHz讀寫電流分別是0.4mA、2mA，在2.7V時(shí)standby電流為1.6uA。AT24CL16字節(jié)寫入時(shí)間大約10ms，F(xiàn)M24CL16寫入時(shí)間總為線時(shí)間，不需延時(shí)，因而功耗較小。SDRAM與FLASH、SRAM采用不同的接口，在調(diào)試ARM中斷服務(wù)程序時(shí)，由于中斷服務(wù)矢量位于低端地址，調(diào)試時(shí)最好有SRAM映射到0地址處。因此SRAM和FLASH的片選信號(hào)應(yīng)該是可配置的。SRAM可選用Cypress CY62157DV18，典型工作電流10mA，standby電流為2uA。

3 其它周邊元件

　　LCD顯示屏應(yīng)用透射反射型，如SHARP LQ035Q7DB02。反射型LCD在強(qiáng)光條件下有明亮的高對(duì)比度，但在弱光條件下需要更高的亮度。SHARP把反射型LCD與背后點(diǎn)亮透射型LCD技術(shù)相結(jié)合，在強(qiáng)光條件下用作反射型LCD，在弱光條件下用作背后點(diǎn)亮透射型LED時(shí)功耗為350mW。Xilinx CoolRunner-II CPLD使用了快速零功耗技術(shù)。在手持多媒體終端中，圖像采集模塊和聲音采集模塊數(shù)據(jù)量大，因此除靜態(tài)功耗外，還應(yīng)綜合考慮接口電壓高低，即數(shù)據(jù)傳輸引起的動(dòng)態(tài)損耗。

4 電源產(chǎn)生

　　鋰離子電池是目前應(yīng)用最為廣泛的鋰電池，可充電的鋰離子電池的額定電壓為3.6V（有的產(chǎn)品為3.7V）。充滿電時(shí)的終止充電電壓與電池陽極材料有關(guān)：陽極材料為石墨的4.2V；陽極材料為集炭的4.1V。不同陽極材料的內(nèi)阻也不同，焦炭陽極的內(nèi)阻略大。鋰離子電池的放電曲線平坦，終止放電電壓為2.5V～2.75V。在通常的固定頻率DC/DC變換器中，主要有三類功率損失：（1）負(fù)載電流相關(guān)的損失，主要包括MOSFET的導(dǎo)通電阻、二極管正向?qū)▔航?、電感電阻、電容等效串?lián)電阻；（2）開關(guān)頻率相關(guān)的損失有MOSFET的輸出電容柵極電容及門驅(qū)動(dòng)損失等；（3）其它固定損失，如MOSFET、二級(jí)管、電容泄漏電流損失。在大負(fù)載電流時(shí)，主要是電流相關(guān)功率損失，在小負(fù)載情況下，主要是頻率相關(guān)功率損失。在負(fù)載電流范圍較寬時(shí)，采用調(diào)頻方式效率更高[9]。文獻(xiàn)[10]討論了在斷續(xù)導(dǎo)通和連接導(dǎo)通模式時(shí)提高效率的控制方法。很DC/DC變換器都能上固定頻率或在輕負(fù)載時(shí)以跳脈沖方式工作。這兩種方式切換可由芯片外部控制（如TI的TPS60110、PINEAR的LTC3440），也可由芯片內(nèi)部自動(dòng)控制，如Philips的TEA1207。如果由芯片管理腳控制，則由ARM控制：ARM處理器控制各個(gè)功能模塊掉電或者空閑，分別測(cè)出功能模塊不同狀態(tài)下的工作電流，并根據(jù)負(fù)載電流值，結(jié)合電源芯片的兩種模式下的效率曲線或者其它電路參數(shù)，選擇高效率的工作方式。

　　OMAP應(yīng)用平臺(tái)需要多種電源，如用于核的1.6V，用于FLASH、SDRAM的1.8V或者2.75V，用于USB或者模擬音頻的3.3V，用于USB接口的5V，用于LCD供電碼的+15V等。先升壓到5V，再用線性穩(wěn)壓器LDO降到低電壓1.5、1.8、2.5、2.8、3.0、3.3V等的方法效率較低，尤其是低電壓。TI的innovator主板上的1.6V、2.7V、3.1V、3.3V是這樣產(chǎn)生的：電池電壓經(jīng)過TPS60110（四片并聯(lián)輸出）得到5V，再分別經(jīng)過TPS76701 LDO線形穩(wěn)壓得到1.6V、2.7V、3.1V、3.3V。采用cuk電容變換器和低壓差線形穩(wěn)壓芯片LDO的優(yōu)點(diǎn)是不需電感、使用方便、成本低。采用以下方法提高電源效率：輸出電壓低于鋰電池最小放電電壓時(shí)，如2.5V、1.8V、1.6V，選擇單純的buck電感變換器；當(dāng)輸出電壓高于鋰電池電壓降到2.5V時(shí)仍能正常工作的下變換芯片，能延長(zhǎng)放電時(shí)間。對(duì)于3.3V,可使用LINEAR公司單片BUCKBOOST電感變換器如LTC3441f，在負(fù)載200mA、3.3V輸出時(shí)，在鋰電池放電電壓范圍內(nèi)效率高達(dá)90%。LTC3441占空比只能達(dá)到(1-150nsXf)%?？稍O(shè)計(jì)BUCK-BOOST電感變換器，在鋰電池放電電壓下降到接近或等于器件工作電壓時(shí)，用作buck變換器時(shí)占空比達(dá)到100%，即輸入電壓通過電感到達(dá)輸出，沒有開關(guān)切換，沒有高頻切換損失，效率將害到最高。因?yàn)楹芏嘈酒加休^寬的電壓范圍。如28F128J3A VCC=2.7～3.6V,VCCQ=2.7～3.6V;ADS7846 VCC=2.2～5.25V;LAN91C96 VCC=3.3V+10%;AT24C04 VCC=1.8～5.5V。鋰離子電池在3.3V左右放電時(shí)間較長(zhǎng)，能更大限度提高電源效率，延長(zhǎng)電池壽命。

下面是電源方案：

鋰電池-TEA1200（或TEA1201TS）-L1.5V(或者1.8V)；

鋰電池-LTC3441-3.3V(或者1.8V,3.0V,5V)（效率可高達(dá)96%）；

鋰電池-TEA1200（或TEA1201TS，TPS60110）-5V（效率可高達(dá)95%）。

　　在手持設(shè)備中，一節(jié)鋰電池供電，輸出多種電壓電源。電池工作時(shí)間長(zhǎng)短，不僅取決于各器件的低功耗、電源變換器的能源效率，還取決于系統(tǒng)對(duì)器件的功耗管理和軟件功耗。