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(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：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,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(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)的使用時間和待機(jī)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(jī)電池;另一種是改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計,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)的通話時間超過13 h,待機(jī)時間長達(dá)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(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,從而盡可能延長智能手機(jī)的使用時間和待機(jī)時間。事實上,低功耗設(shè)計已經(jīng)成為智能手機(jī)設(shè)計中一個越來越迫切的問題。
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(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(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(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,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(yùn)行期間通過對系統(tǒng)的時鐘或電壓的動態(tài)控制來達(dá)到節(jié)省功率的目的,這種動態(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(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(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,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,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,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(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)動電路的低功耗設(shè)計
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,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(yùn)行時的效率和降低軟件運(yùn)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(jìn)制編碼后,不同之處就是各個寄存器操作數(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(jìn)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(jī)變化,導(dǎo)致CPU在休眠時不斷地被喚醒,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)動能力、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚩刂频?當(dāng)僅僅基于驅(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(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)動下級芯片,當(dāng)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(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?？梢酝ㄟ^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(jī)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(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,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,其中也擁有一個系統(tǒng),內(nèi)部運(yùn)行完整的GSM(全球移動通信系統(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(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,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)計上,當(dāng)智能手機(jī)開機(jī)時,給無線Modem加電、關(guān)機(jī)時,對Modem進(jìn)行斷電。
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(jī)的設(shè)計中,通過不斷進(jìn)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(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,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1.5mA。對于無線Modem,由于自身含有獨立的電源管理模塊,基本上在3mA左右,變化不大。相比未經(jīng)優(yōu)化設(shè)計,智能手機(jī)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(jī)的待機(jī)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(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(jī)的設(shè)計中,例如先進(jìn)的電源管理芯片、先進(jìn)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(jī)功耗。但是,作為設(shè)計者,在進(jìn)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。