智能手机低功耗设计方案

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