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。

       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13 h，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。

       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(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(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的視頻會議功能，攜帶了一個(gè)優(yōu)化的MPEG4硬件編解碼器。能對大運(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。

       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。 {{分頁}}

       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　　　　(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(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：

 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(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(dòng)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。

       2.3.2 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?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，而且還會導(dǎo)致輸入端信號電平隨機(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 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?，?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)下級芯片，當(dāng)可以通過選取合適的前后級芯片時(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(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)是電路相對復(fù)雜，紋波噪聲干擾較大，體積也相對較大，價(jià)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(jì)中，對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，鍵盤和LCD背光燈工作時(shí)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(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：

       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(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、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Modem進(jìn)行斷電。 {{分頁}}

       2.7 軟件優(yōu)化 

 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。

       2.2 DPM

       DPM(動(dòng)態(tài)電源管理)是在系統(tǒng)運(yùn)行期間通過對系統(tǒng)的時(shí)鐘或電壓的動(dòng)態(tài)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：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、實(shí)際測量，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，鍵盤背關(guān)燈和LCD背光燈關(guān)閉，LCD上有待機(jī)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(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)用戶沒有對手機(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；當(dāng)用戶對手機(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(dá)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(jìn)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(shí)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(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(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、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 {{分頁}}

 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(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，通過對代碼進(jìn)行優(yōu)化，可以減小軟件在執(zhí)行時(shí)的功耗。

       3 試驗(yàn)結(jié)果和討論

       在智能手機(jī)的設(shè)計(jì)中，通過不斷進(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。對于無線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)會成為一個(gè)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(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，得到用戶的青睞。