智能手机低功耗设计方案

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。

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