智能手机的低功率损耗设计

　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