智能手机的低功率损耗设计

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 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(feature phone);另一种是智能手机(smart phone)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13 h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

  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A/D转换、D/A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XXX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16 kB的指令Cache、16 kB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

  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较好的效果

  对于主CPU来说内核供电电压为1.3 V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:

  

  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

  2.2 DPM

  DPM(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[34]

  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:General Clock Gating mode;IDLE mode:SLEEP mode;Stop mode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工作模式为General Clock Gating mode;主CPU全速运行;时钟频率为204 MHz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200 mA左右

  b)空闲模式:主CPU工作模式为Idle mode主CPU主时钟停止;时钟频率为204 MHz在空闲状态下键盘背关灯和LCD背光灯关闭LCD上有待机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SLEEP mode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36.768 kHz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stop mode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100μA

  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;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DC/DC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的外设如音频编解码器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:NAND Flash为2.9 mA;LCD为5.8 mA;USB HOST为0.4 mA;USB驱动器为2.9 mA;定时器为0.5 mA;SDI为1.9 mA;UART为3.6 mA;RTC为0.4 mA;A/D转换器为0.4 mA;IIC为0.6 mA;IIS为0.5 mA;SPI为0.5 mA

  在图1所示的智能手机硬件架构中SPI接口、USB HOST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USB HOST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、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

  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就是各个寄存器操作数的二进制编码不同

  

  根据表1从电气性能上来看通过减小连续指令之间的汉明(Hamming)距离原代码比优化后代码的比特位变化多6次而两组代码实现同样的功能因此优化后的指令执行时的功耗小于原先指令因此系统软件完成后在保证软件功能一致的情况下通过对代码进行优化可以减小软件在执行时的功耗

  2.3.2 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 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器

  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;DC/DC;LDO(低漏失调节器)其中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η完全取决于输出电压大小

  DC/DC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

  2.5 LED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使用的LCD其背光灯电气要求如下:正向电流典型值为15 mA正向电压典型值为14.4 V背光灯消耗功率典型值为216 mW

  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:

  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GPIO2-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、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(全世界移动通信系统)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

  2.7 软件优化

  式中:m=MDIV+8;p=PDIV+2s=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204 MHz

3 试验结果和讨论

  在智能手机的设计中通过不断进行硬件优化和在软件上实现电源的动态管理测量智能手机在空闲模式和睡眠模式下的功率损耗结果如表2所示

  

  从表2可以看出经过优化设计智能手机在空闲模式下电流值减小了10.2 mA在睡眠模式下电流值减少了1.5 mA对于无线Modem由于自身含有独立的电源管理模块基本上在3 mA左右变化不大相比未经优化设计智能手机经过优化设计后在睡眠模式下和空闲模式下功率损耗有了显著的降低在相同的电池容量下大大提高了智能手机的待机时间和使用时间因此通过上述方法可以有效地降低智能手机的功耗

  随着手机技术的发展特别在智能手机设计中低功耗设计会成为一个越来越迫切的问题随着一些新技术的出现并应用于智能手机的设计中例如先进的电源管理芯片、先进的处理器给设计者提供了更大的灵活性可以大大降低智能手机功耗但是作为设计者在进行系统设计和软件编程时必须时时考虑如何降低系统的功耗只有这样设计出的系统才能拥有一个良好的性能得到用户的青睐

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