智能手机低功耗设计方案

的阻值,以节省系统的功耗。对于下拉电阻,情况类似。

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。

2.7 软件优化

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204 MHz。

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[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：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