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（feature phone）;另一種是智能手機（smart phone）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

　　現(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13 h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

　　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（先進的微控制器總線體系結(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　　　　（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(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1.3 V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：

　　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

　　2.2 DPM

　　DPM（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)［34］

　　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：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General Clock Gating mode;主CPU全速運行;時鐘頻率為204 MHz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200 mA左右

　　b）空閑模式：主CPU工作模式為Idle mode主CPU主時鐘停止;時鐘頻率為204 MHz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SLEEP mode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36.768 kHz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100μA

　　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(shè)置使手機盡快進入空閑模式或睡眠模式;當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、IrDA（紅外適配器）、藍牙、音頻編解碼器、功率放大器等設(shè)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(shè)可以通過主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：NAND Flash為2.9 mA;LCD為5.8 mA;USB HOST為0.4 mA;USB驅(qū)動器為2.9 mA;定時器為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所示的智能手機硬件架構(gòu)中SPI接口、USB HOST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USB HOST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(guān)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(shè)計

　　當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

　　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從電氣性能上來看通過減小連續(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次而兩組代碼實現(xiàn)同樣的功能因此優(yōu)化后的指令執(zhí)行時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對代碼進行優(yōu)化可以減小軟件在執(zhí)行時的功耗

　　2.3.2 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)姆较蚩刂频犬攦H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(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η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

　　2.5 LED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燈的功耗可以通過以下方法：

　　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GPIO20一GPIO23和GPIO2-GPlO5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Modem方案其中也擁有一個系統(tǒng)內(nèi)部運行完整的GSM（全世界移動通信系統(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(shè)計上當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

　　式中：m=MDIV+8;p=PDIV+2s=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204 MHz

3 試驗結(jié)果和討論

　　在智能手機的設(shè)計中通過不斷進行硬件優(yōu)化和在軟件上實現(xiàn)電源的動態(tài)管理測量智能手機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)過優(yōu)化設(shè)計智能手機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對于無線Modem由于自身含有獨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)計智能手機經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計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的待機時間和使用時間因此通過上述方法可以有效地降低智能手機的功耗

　　隨著手機技術(shù)的發(fā)展特別在智能手機設(shè)計中低功耗設(shè)計會成為一個越來越迫切的問題隨著一些新技術(shù)的出現(xiàn)并應(yīng)用于智能手機的設(shè)計中例如先進的電源管理芯片、先進的處理器給設(shè)計者提供了更大的靈活性可以大大降低智能手機功耗但是作為設(shè)計者在進行系統(tǒng)設(shè)計和軟件編程時必須時時考慮如何降低系統(tǒng)的功耗只有這樣設(shè)計出的系統(tǒng)才能擁有一個良好的性能得到用戶的青睞