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(lái)單一的通話(huà)功能向話(huà)音、數(shù)據(jù)、圖像、音樂(lè)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)（feature phone）;另一種是智能手機(jī)（smart phone）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(kāi)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(kāi)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(lái)越得到人們的青睞將逐漸成為市場(chǎng)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(lái)供電隨著智能手機(jī)的功能越來(lái)越強(qiáng)大其功率損耗也越來(lái)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(wèn)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

　　現(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(mǎn)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(lái)手機(jī)電池發(fā)展趨勢(shì)的燃料電池能使智能手機(jī)的通話(huà)時(shí)間超過(guò)13 h待機(jī)時(shí)間長(zhǎng)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(shì)上將會(huì)增加整機(jī)的成本

　　因此從智能手機(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(zhǎng)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(lái)越迫切的問(wèn)題

　　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(kāi)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(wú)線(xiàn)Modem部分的DBB（數(shù)字基帶芯片）主要完成語(yǔ)音信號(hào)的A／D轉(zhuǎn)換、D／A轉(zhuǎn)換、數(shù)字語(yǔ)音信號(hào)的編解碼、信道編解碼和無(wú)線(xiàn)Modem部分的時(shí)序控制主從處理器之間通過(guò)串口進(jìn)行通信主處理器采用XXX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(xiàn)體系結(jié)構(gòu)）內(nèi)部含有16 kB的指令Cache、16 kB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(yǔ)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)用于智能手機(jī)的設(shè)計(jì)中

　　在智能手機(jī)的硬件架構(gòu)中無(wú)線(xiàn)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(xiàn)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(yǔ)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(huà)過(guò)程中的語(yǔ)音通道

　　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(wú)線(xiàn)Modem、LCD和鍵盤(pán)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(wèn)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　　　?。?）

　　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(kāi)關(guān)頻率呈線(xiàn)性關(guān)系與供電電壓呈二次平方關(guān)系對(duì)于CPU來(lái)說(shuō)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(mǎn)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(lái)說(shuō)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(duì)于主CPU來(lái)說(shuō)內(nèi)核供電電壓為1.3 V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(guò)主頻分頻產(chǎn)生主CPU主頻fCPU計(jì)算公式如下：

　　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(lái)降低輸入阻抗提供泄荷通路需要加上拉電阻來(lái)提高輸出電平從而提高芯片輸入信號(hào)的噪聲容限來(lái)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(guò)大的上拉電阻會(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(lèi)似

　　2.2 DPM

　　DPM（動(dòng)態(tài)電源管理）是在系統(tǒng)運(yùn)行期間通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的時(shí)鐘或電壓的動(dòng)態(tài)控制來(lái)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(guò)軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)［34］

　　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：General Clock Gating mode;IDLE mode：SLEEP mode;Stop mode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(shuō)明如下：

　　a）正常工作模式：主CPU工作模式為General Clock Gating mode;主CPU全速運(yùn)行;時(shí)鐘頻率為204 MHz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(huà)、實(shí)際測(cè)量這種模式下智能手機(jī)工作電流為200 mA左右

　　b）空閑模式：主CPU工作模式為Idle mode主CPU主時(shí)鐘停止;時(shí)鐘頻率為204 MHz在空閑狀態(tài)下鍵盤(pán)背關(guān)燈和LCD背光燈關(guān)閉LCD上有待機(jī)畫(huà)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(lái)電等

　　c）睡眼模式：主CPU工作模式為SLEEP mode除了主CPU內(nèi)部的喚醒邏輯打開(kāi)外其余全關(guān)閉;主CPU時(shí)鐘為使用36.768 kHz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(kāi)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stop mode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(kāi)機(jī)之后才能進(jìn)正常工作模式實(shí)際測(cè)量手機(jī)在這種模式下電流為100μA

　　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(hù)沒(méi)有對(duì)手機(jī)進(jìn)行操作時(shí)通過(guò)軟件設(shè)置使手機(jī)盡快進(jìn)入空閑模式或睡眠模式;當(dāng)用戶(hù)對(duì)手機(jī)進(jìn)行操作時(shí)通過(guò)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(guò)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(guò)主CPU的GPIO口控制給外設(shè)供電的LDO或者DC／DC電源芯片通過(guò)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)于一些正在工作的外設(shè)如音頻編解碼器通過(guò)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(méi)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(lái)說(shuō)各外設(shè)接口控制器的電流消耗［2］如下：NAND Flash為2.9 mA;LCD為5.8 mA;USB HOST為0.4 mA;USB驅(qū)動(dòng)器為2.9 mA;定時(shí)器為0.5 mA;SDI為1.9 mA;UART為3.6 mA;RTC為0.4 mA;A／D轉(zhuǎn)換器為0.4 mA;IIC為0.6 mA;IIS為0.5 mA;SPI為0.5 mA

　　在圖1所示的智能手機(jī)硬件架構(gòu)中SPI接口、USB HOST接口沒(méi)有使用因此可以通過(guò)設(shè)置SPCONO和HcControl寄存器永遠(yuǎn)地關(guān)閉SPI和USB HOST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(xiàn)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、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

　　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(xiàn)的失效［5］如表1所示的ARM匯編把指令轉(zhuǎn)變成二進(jìn)制編碼后不同之處就是各個(gè)寄存器操作數(shù)的二進(jìn)制編碼不同

　　根據(jù)表1從電氣性能上來(lái)看通過(guò)減小連續(xù)指令之間的漢明（Hamming）距離原代碼比優(yōu)化后代碼的比特位變化多6次而兩組代碼實(shí)現(xiàn)同樣的功能因此優(yōu)化后的指令執(zhí)行時(shí)的功耗小于原先指令因此系統(tǒng)軟件完成后在保證軟件功能一致的情況下通過(guò)對(duì)代碼進(jìn)行優(yōu)化可以減小軟件在執(zhí)行時(shí)的功耗

　　2.3.2 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)镃MOS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(wú)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(lái)保持高電平或通過(guò)接地來(lái)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(dòng)能力、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚩刂频犬?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(guò)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是否足夠驅(qū)動(dòng)下級(jí)芯片當(dāng)可以通過(guò)選取合適的前后級(jí)芯片時(shí)應(yīng)盡量避免使用緩沖器

　　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(lái)說(shuō)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(xiàn)性調(diào)節(jié)器;DC／DC;LDO（低漏失調(diào)節(jié)器）其中LDO本質(zhì)上是一種線(xiàn)性穩(wěn)壓器主要用于壓差較小的場(chǎng)合所以將其合并為線(xiàn)性穩(wěn)壓器

　　線(xiàn)性穩(wěn)壓器的特點(diǎn)是電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)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η完全取決于輸出電壓大小

　　DC／DC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(xiàn)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

　　2.5 LED燈的控制

　　智能手機(jī)電路中鍵盤(pán)和LCD背光燈工作時(shí)會(huì)消耗大量能量例如本文架構(gòu)中使用的LCD其背光燈電氣要求如下：正向電流典型值為15 mA正向電壓典型值為14.4 V背光燈消耗功率典型值為216 mW

　　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燈的功耗可以通過(guò)以下方法：

　　a）在LED燈回路中短接一個(gè)小電阻改變阻值用來(lái)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(lái)控制LED燈的開(kāi)關(guān)

　　在主CPU中通過(guò)配置寄存器GPCON_U、GPCON_L可以把GPIO20一GPIO23和GPIO2-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(lái)控制LED背光燈以此來(lái)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(hù)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(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)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、攝像機(jī)等外設(shè)的供電電源而無(wú)線(xiàn)Modem不行必須要求無(wú)線(xiàn)Modem具有繼續(xù)等待來(lái)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(wú)線(xiàn)Modem方案其中也擁有一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行完整的GSM（全世界移動(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(guò)UART口和無(wú)線(xiàn)Modem進(jìn)行電源管理協(xié)商無(wú)線(xiàn)Modem內(nèi)部的電源管理由自己來(lái)控制當(dāng)無(wú)線(xiàn)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(kāi)機(jī)時(shí)給無(wú)線(xiàn)Modem加電、關(guān)機(jī)時(shí)對(duì)Modem進(jìn)行斷電

　　2.7 軟件優(yōu)化

　　式中：m=MDIV+8;p=PDIV+2s=SDIV;MDIV、PDIV和SDIV可以通過(guò)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204 MHz

3 試驗(yàn)結(jié)果和討論

　　在智能手機(jī)的設(shè)計(jì)中通過(guò)不斷進(jìn)行硬件優(yōu)化和在軟件上實(shí)現(xiàn)電源的動(dòng)態(tài)管理測(cè)量智能手機(jī)在空閑模式和睡眠模式下的功率損耗結(jié)果如表2所示

　　從表2可以看出經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)智能手機(jī)在空閑模式下電流值減小了10.2 mA在睡眠模式下電流值減少了1.5 mA對(duì)于無(wú)線(xiàn)Modem由于自身含有獨(dú)立的電源管理模塊基本上在3 mA左右變化不大相比未經(jīng)優(yōu)化設(shè)計(jì)智能手機(jī)經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)后在睡眠模式下和空閑模式下功率損耗有了顯著的降低在相同的電池容量下大大提高了智能手機(jī)的待機(jī)時(shí)間和使用時(shí)間因此通過(guò)上述方法可以有效地降低智能手機(jī)的功耗

　　隨著手機(jī)技術(shù)的發(fā)展特別在智能手機(jī)設(shè)計(jì)中低功耗設(shè)計(jì)會(huì)成為一個(gè)越來(lái)越迫切的問(wèn)題隨著一些新技術(shù)的出現(xiàn)并應(yīng)用于智能手機(jī)的設(shè)計(jì)中例如先進(jìn)的電源管理芯片、先進(jìn)的處理器給設(shè)計(jì)者提供了更大的靈活性可以大大降低智能手機(jī)功耗但是作為設(shè)計(jì)者在進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件編程時(shí)必須時(shí)時(shí)考慮如何降低系統(tǒng)的功耗只有這樣設(shè)計(jì)出的系統(tǒng)才能擁有一個(gè)良好的性能得到用戶(hù)的青睞