5A版一种智能手机的低功率损耗设计

1、7A 版优质实用文档一种智能手机的低功率损耗设计引言随着通信产业的不断发展，移动终端已经由原来单一的通话功能向话音、数 据、图像、音乐和多媒体方向综合演变。而对于移动终端，基本上可以分成两 种：一种是传统手机 (featurephone) ；另一种是智能手机 (smartphone) 。智 能手机具有传统手机的基本功能，并有以下特点：开放的操作系统、硬件和软 件的可扩充性和支持第三方的二次开发。相对于传统手机，智能手机以其强大 的功能和便捷的操作等特点，越来越得到人们的青睐，将逐渐成为市场的一种 潮流。然而，作为一种便携式和移动性的终端，完全依靠电池来供电，随着智能手机 的功能越来越强大，其功

2、率损耗也越来越大。因此，必须提高智能手机的使用 时间和待机时间。对于这个问题，有两种解决方案：一种是配备更大容量的手 机电池；另一种是改进系统设计，采用先进技术，降低手机的功率损耗。现阶段，手机配备的电池以锂离子电池为主，虽然锂离子电池的能量密度比以 往提升了近 30 ，但是仍不能满足智能手机发展需求。就目前使用的锂离子电 池材料而言，能量密度只有 20 左右的提升空间。而另一种被业界普遍看做是 未来手机电池发展趋势的燃料电池，能使智能手机的通话时间超过 13h ，待机 时间长达 1 个月，但是这种电池技术仍不成熟，离商用还有一段时间 1 。增大 手机电池容量总的趋势上将会增加整机的成本。因此

3、，从智能手机的总体设计入手，应用先进的技术和器件，进行降低功率损 耗的方案设计，从而尽可能延长智能手机的使用时间和待机时间。事实上，低 功耗设计已经成为智能手机设计中一个越来越迫切的问题。7A 版优质实用文档7A 版优质实用文档1 智能手机的硬件系统架构本文讨论的智能手机的硬件体系结构是使用双 CPU 架构，如图 1 所示主处理器运行开放式操作系统，负责整个系统的控制。从处理器为无线Modem 部分的 DBB（数字基带芯片 ），主要完成语音信号的 AD 转换、 DA 转换、数字语音信号的编解码、信道编解码和无线 Modem 部分的时序控制。 主从处理器之间通过串口进行通信。主处理器采用 GGG

4、 公司的 CPU 芯片，它 采用 CMOS 工艺，拥有 ARM926EJ-S 内核，采用 ARM 公司的 AMBA（ 先进的 微控制器总线体系结构 ），内部含有 16kB 的指令 Cache 、16kB 的数据 Cache 和 MMU（ 存储器管理单元 ） 。为了实现实时的视频会议功能，携带了一个优化 的 MPEG4 硬件编解码器。能对大运算量的 MPEG4 编解码和语音压缩解压缩 进行硬件处理，从而能缓解 ARM 内核的运算压力。主处理器上含有 LCD（ 液晶 显示器）控制器、摄像机控制器、 SDRAM 和SROM 控制器、很多通用的 GPIO 口、SD 卡接口等。这些使它能很出色地应用于智

5、能手机的设计中。在智能手机的硬件架构中，无线 Modem 部分只要再加一定的外围电路，如音 频芯片、 LCD、摄像机控制器、传声器、扬声器、功率放大器、天线等，就是 一个完整的普通手机 （传统手机 ）的硬件电路。模拟基带 （ABB）语音信号引脚和音 频编解码器芯片进行通信，构成通话过程中的语音通道。7A 版优质实用文档7A 版优质实用文档从这个硬件电路的系统架构可以看出，功耗最大的部分包括主处理器、无线 Modem 、LCD 和键盘的背光灯、音频编解码器和功率放大器。因此，在设计 中，如何降低它们的功耗，是一个很重要的问题。2 低功耗设计2.1 降低 CPU 部分的供电电压和频率在数字集成电路

6、设计中， CMOS 电路的静态功耗很低，与其动态功耗相比基本 可以忽略不计，故暂不考虑。其动态功耗计算公式为：Pd=CTV2f (1)式中：Pd为CMOS芯片的动态功耗； CT为CMOS芯片的负载电容； V为 CMOS 芯片的工作电压； f 为 CMOS 芯片的工作频率。由式 (1)可知， CMOS 电路中的功率消耗与电路的开关频率呈线性关系，与供电 电压呈二次平方关系。对于 CPU 来说， Vcore 电压越高，时钟频率越快，则功 率消耗越大，所以，在能够正常满足系统性能的前提下，尽可能选择低电压工 作的 CPU 。对于已经选定的 CPU 来说，降低供电电压和工作频率，能够在总 体功耗上取得

7、较好的效果。对于主 CPU 来说，内核供电电压为 1.3V ，已经很小，而且其全速运行时的主 频可以完全根据需要进行设置，其内部所需的其他各种频率都是通过主频分频 产生。主 CPU 主频 fCPU 计算公式如下：7A 版优质实用文档7A 版优质实用文档式中： m=MDIV+8 ；p=PDIV+2 ，s=SDIV；MDIV、PDIV 和SDIV可以通过 寄存器进行设置。因此，设计中确定主 CPU 主频对于整个系统的功耗和性能是一个关键。本文在 综合考虑系统性能和功耗的基础上，设置主 CPU 主频为 204MHz 。2.2DPMDPM( 动态电源管理 )是在系统运行期间通过对系统的时钟或电压的动态

8、控制来 达到节省功率的目的，这种动态控制与系统的运行状态密切相关，该工作往往 通过软件来实现 3,4 。2.2.1 定义不同的工作模式在硬件架构中智能手机的工作模式与主 CPU 的工作模式密切相关。为了降低功 耗，主 CPU 定义了 4 种工作模式： GeneralClockGatingmode ； IDLEmode ：SLEEPmode ； Stopmode 。在主 CPU 主频确定的情况下，智能 手机中定义了对应的 4 种工作模式：正常工作模式 (Normal) ；空闲模式 (Idle) ；睡眠模式 (Sleep) ；关机模式 (OFF)。各种模式说明如下：a) 正常工作模式：主 CPU

9、工作模式为 GeneralClockGatingmode ；主 CPU 全 速运行；时钟频率为 204MHz 。智能手机在这种状态下功耗最大，根据不同的 运行状态，如播放 MP3 、打电话、实际测量，这种模式下智能手机工作电流为 200mA 左右。b) 空闲模式：主 CPU 工作模式为 Idlemode ，主 CPU 主时钟停止；时钟频率 为 204MHz 。在空闲状态下，键盘背关灯和 LCD 背光灯关闭， LCD 上有待机7A 版优质实用文档7A 版优质实用文档画面，特定的事件可以使智能手机空闲模式进入正常工作模式，如点击触摸 屏、定时唤醒、按键、来电等。c）睡眼模式：主 CPU 工作模式为

10、 SLEEPmode ，除了主 CPU 内部的唤醒逻辑 打开外，其余全关闭；主 CPU 时钟为使用 36.768kHz 的慢时钟。除了 Modem 以外，外设全部关闭，定义短时按开机键，使智能手机从睡眠模式下 唤醒进入正常工作状态。d）关机模式：主 CPU 工作模式为 stopmode ，除了主 CPU 泄漏电流外，不消 耗功率；主 CPU 关闭。智能手机必须重新开机之后，才能进正常工作模式，实 际测量，手机在这种模式下电流为 100 A。从以上看出，智能手机在正常工作模式下的功率比空闲模式、睡眠模式下大得 多。因此，当用户没有对手机进行操作时，通过软件设置，使手机尽快进入空 闲模式或睡眠模式

11、；当用户对手机进行操作时，通过相应的中断唤醒主CPU ，使手机恢复正常工作模式，处理完响应的事件后迅速进入空闲模式或睡眠模 式。2.2.2 关闭空闲的外设控制器和外设在硬件系统的架构中，可以看到，主 CPU 通过相应的接口，外接了很多外部设 备，例如 LCD、摄像机、 IrDA（ 红外适配器 ）、蓝牙、音频编解码器、功率放大 器等设备。当智能手机处于正常工作模式时，对处于空闲状态的外设，可以通 过主 CPU 的 GPIO 口，控制给外设供电的 LDO 或者 DCDC 电源芯片，通过 关闭外设的供电电源芯片，以达到关闭外设的目的。特别是对于大功耗的外 设，必须对其进行可靠的关闭。对于一些正在工作

12、的外设，如音频编解码器，7A 版优质实用文档7A 版优质实用文档通过设置内部的寄存器，关闭芯片内部不使用的通道、功率放大器、 D A 转 换器等，以降低这些器件工作时的功耗。对于主 CPU 的各种接口控制器，一般不会全部用到，即使智能手机处于正常工 作模式下，在不同运行状态，各种接口控制器的使用状况也是不同的；接口控 制器没有处于工作状态，如不将其关闭，仍会消耗电流。对于主CPU 来说，各外设接口控制器的电流消耗 2如下： NANDFlash 为 2.9mA ；LCD为 5.8mA ； USBHOST 为 0.4mA ；USB 驱动器为 2.9mA ；定时器为 0.5mA ； SDI 为 1.

13、9mA ； UART 为 3.6mA ；RTC 为 0.4mA ；A D 转换器为 0.4mA ； IIC为0.6mA ；IIS为0.5mA ；SPI为 0.5mA 。在图 1所示的智能手机硬件架构中， SPI接口、 USBHOST 接口没有使用，因 此可以通过设置 SPCONO 和HcControl 寄存器永远地关闭 SPI和 USBHOST 接口，这样可以节省 0.9(0.5+0.4)mA 的电流。当智能手机处于正常工作状态 下，可以对空闲的接口控制器进行关闭，以进一步降低智能手机的功耗，还可 以防止总线上倒灌电流的影响。2.3 接口驱动电路的低功耗设计当选择智能手机外围芯片如 SDRAM

14、 、LCD 、摄像机、音频编解码器等器件 时，除了要考虑其性能外，还必须考虑其正常工作时的功耗。在设计接口电路 时，必须考虑以下几个因素：2.3.1 上拉电阻下拉电阻的选取在 COMS 芯片上，为了防止静电造成损坏，不用的引脚不能悬空，一般接下拉 电阻来降低输入阻抗，提供泄荷通路。需要加上拉电阻来提高输出电平，从而7A 版优质实用文档7A 版优质实用文档提高芯片输入信号的噪声容限来增强抗干扰能力。但是在选择上拉电阻时，必 须要考虑以下几点：a）从节约功耗及芯片的倒灌电流能力上考虑，上拉电阻应足够大，以减小电 流；b）从确保足够的驱动电流考虑，上拉电阻应足够小，以增大电流；c）在高速电路中，过大

15、的上拉电阻会使信号边沿变得平缓，信号完整性会变 差。因此，在考虑能够正常驱动后级的情况下 （即考虑芯片的 VIH 或 VIL），尽可能 选取更大的阻值，以节省系统的功耗。对于下拉电阻，情况类似。.3.2 对悬空引脚的处理对于系统中 CMOS 器件的悬空引脚，必须给予重视。因为 CMOS 悬空的输入 端的输入阻抗极高，很可能感应一些电荷导致器件被高压击穿，而且还会导致 输入端信号电平随机变化，导致 CPU 在休眠时不断地被唤醒，从而无法进入睡 眠状态或其他莫名其妙的故障。所以正确的方法是，根据引脚的初始状态，将 未使用的输入端接到相应的供电电压来保持高电平，或通过接地来保持低电 平。2.3.3

16、缓冲器的选择缓冲器有很多功能，如电平转换、增加驱动能力、数据传输的方向控制等，当 仅仅基于驱动能力的考虑增加缓冲器时，必须慎重考虑，因驱动电流过大会导 致更多的能量被浪费掉。所以应仔细检查芯片的最大输出电流 IOH 和IOL 是否7A 版优质实用文档7A 版优质实用文档足够驱动下级芯片，当可以通过选取合适的前后级芯片时应尽量避免使用缓冲2.4 电源供给电路 由于使用双 CPU 架构，外设很多，需要很多种电源。仅以主 CPU 来说，就需 要 1.3V 、 2.4V 和 2.8V 电压，因此需要很多电压变化单元。通常，有以下几种 电压变换方式：线性调节器； DCDC；LDO（ 低漏失调节器 ）。其

17、中 LDO 本质 上是一种线性稳压器，主要用于压差较小的场合，所以将其合并为线性稳压 器。线性稳压器的特点是电路结构简单，所需元件数量少，输入和输出压差可以很 大，但其致命弱点是效率低、功耗高，其效率 完全取决于输出电压大小。DCDC 电路的特点是效率高、升降压灵活，缺点是电路相对复杂，纹波噪声 干扰较大，体积也相对较大，价格也比线性稳压高，对于升压，只能使用 DC DC。因此，在设计中，对于电源纹波噪音要求不严的情况，都是使用DC DC 的电压转换器件，这样可以有效地节约能量，降低智能手机的功耗。2.5LED 灯的控制智能手机电路中，键盘和 LCD 背光灯工作时会消耗大量能量。例如本文架构中

18、 使用的 LCD，其背光灯电气要求如下：正向电流典型值为 15mA ，正向电压典 型值为 14.4V ，背光灯消耗功率典型值为 216mW 。由此可以看出，在正常工作时， LCD 背景 LED 灯功耗非常大。因此，在设计 中，必须降低 LED 灯的功耗。可以通过以下方法：7A 版优质实用文档7A 版优质实用文档a）在 LED 灯回路中短接一个小电阻，改变阻值，用来控制 LED 灯工作时的电 流。b）利用人眼的迟滞效应，使用 PWM（ 脉宽调制 ）信号来控制 LED 灯的开关。在主 CPU 中，通过配置寄存器 GPCON_U 、GPCON_L 可以把 GPIO20 一 GPIO23 和 GPIO

19、2-GPlO5 配置成 PWM 信号输出，再配置内部相应的寄存 器，控制 PWM 输出信号的频率和占空比，作为控制引脚来控制 LED 背光灯， 以此来降低 LCD 背光灯的功耗。c）在手机图形界面上提供一个调节背光灯亮度的界面，让用户在系统设置的 LED 灯亮度基础上，进一步调节背关灯的亮度，这样，既增加了手机使用的灵 活性，又进一步降低了手机的功耗。2.6 无线 Modem 部分的控制如图 1 所示，智能手机的硬件体系结构采用双 CPU 架构，无线 Modem 作为 主 CPU 的一个外设，与主 CPU 芯片的其他外设相比，具有其特殊性，例如当 智能手机处于睡眠模式时，可以直接关闭 LCD

20、、摄像机等外设的供电电源，而 无线 Modem 不行，必须要求无线 Modem 具有继续等待来电、搜索网络等功 能，而不能直接将其关闭。而对于本文硬件架构中的无线 Modem 方案，其中 也拥有一个系统，内部运行完整的 GSM（ 全球移动通信系统 ）协议和独立的电源 管理模块，主 CPU 可以通过 UART 口和无线 Modem 进行电源管理协商。无 线 Modem 内部的电源管理由自己来控制，当无线 Modem 处于空闲状态时， 自己能完好地进入和退出待机模式。因此，在本文的硬件架构的设计上，当智 能手机开机时，给无线 Modem 加电、关机时，对 Modem 进行断电。7A 版优质实用文档7A 版优质实用文档2.7 软件优化 软件优化是一个很重要的工作，可以大大提高软件运行时的效率和降低软件运 行时的功耗。例如指令的重排，在不影响指令执行结果的情况下，可以消除由 于装载延迟、分支延迟、跳转延迟等引起的指令流水线的失效 5 。如表 1 所示 的 ARM 汇编，把指令转变成二进制编码后，不同之处