智能手機的低功耗設計介紹

隨著智能手機的功能越來越強大，其功率損耗也越來越大。如何提高智能手機的使用時間和待機時間，是大家都非常關注的問題。在配備更大容量的手機電池作用有限的情況下，本文揭示了如何采用先進技術改進系統(tǒng)設計，以降低手機功率損耗。

隨著通信產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，移動終端已經(jīng)由原來單一的通話功能向話音、數(shù)據(jù)、圖像、音樂和多媒體方向綜合演變。而對于移動終端，基本上可以分成兩種：一種是傳統(tǒng)手機（feature phone）；另一種是智能手機（smart phone）。智能手機具有傳統(tǒng)手機的基本功能，并有以下特點：開放的操作系統(tǒng)、硬件和軟件的可擴充性和支持第三方的二次開發(fā)。相對于傳統(tǒng)手機，智能手機以其強大的功能和便捷的操作等特點，越來越得到人們的青睞，將逐漸成為市場的一種潮流。

然而，作為一種便攜式和移動性的終端，完全依靠電池來供電，隨著智能手機的功能越來越強大，其功率損耗也越來越大。因此，必須提高智能手機的使用時間和待機時間。對于這個問題，有兩種解決方案：一種是配備更大容量的手機電池；另一種是改進系統(tǒng)設計，采用先進技術，降低手機的功率損耗。

現(xiàn)階段，手機配備的電池以鋰離子電池為主，雖然鋰離子電池的能量密度比以往提升了近30％，但是仍不能滿足智能手機發(fā)展需求。就目前使用的鋰離子電池材料而言，能量密度只有20％左右的提升空間。而另一種被業(yè)界普遍看做是未來手機電池發(fā)展趨勢的燃料電池，能使智能手機的通話時間超過13 h，待機時間長達1個月，但是這種電池技術仍不成熟，離商用還有一段時間。增大手機電池容量總的趨勢上將會增加整機的成本。

因此，從智能手機的總體設計入手，應用先進的技術和器件，進行降低功率損耗的方案設計，從而盡可能延長智能手機的使用時間和待機時間。事實上，低功耗設計已經(jīng)成為智能手機設計中一個越來越迫切的問題。

1 智能手機的硬件系統(tǒng)架構(gòu)

本文討論的智能手機的硬件體系結(jié)構(gòu)是使用雙cpu架構(gòu)，如圖1所示。

主處理器運行開放式操作系統(tǒng)，負責整個系統(tǒng)的控制。從處理器為無線modem部分的dbb（數(shù)字基帶芯片），主要完成語音信號的a／d轉(zhuǎn)換、d／a轉(zhuǎn)換、數(shù)字語音信號的編解碼、信道編解碼和無線modem部分的時序控制。主從處理器之間通過串口進行通信。主處理器采用xxx公司的cpu芯片，它采用cmos工藝，擁有arm926ej-s內(nèi)核，采用arm公司的amba（先進的微控制器總線體系結(jié)構(gòu)），內(nèi)部含有16 kb的指令cache、16 kb的數(shù)據(jù)cache和mmu（存儲器管理單元）。為了實現(xiàn)實時的視頻會議功能，攜帶了一個優(yōu)化的mpeg4硬件編解碼器。能對大運算量的mpeg4編解碼和語音壓縮解壓縮進行硬件處理，從而能緩解arm內(nèi)核的運算壓力。主處理器上含有l(wèi)cd（液晶顯示器）控制器、攝像機控制器、sdram和srom控制器、很多通用的gpio口、sd卡接口等。這些使它能很出色地應用于智能手機的設計中。

在智能手機的硬件架構(gòu)中，無線modem部分只要再加一定的外圍電路，如音頻芯片、lcd、攝像機控制器、傳聲器、揚聲器、功率放大器、天線等，就是一個完整的普通手機（傳統(tǒng)手機）的硬件電路。模擬基帶（abb）語音信號引腳和音頻編解碼器芯片進行通信，構(gòu)成通話過程中的語音通道。

從這個硬件電路的系統(tǒng)架構(gòu)可以看出，功耗最大的部分包括主處理器、無線modem、lcd和鍵盤的背光燈、音頻編解碼器和功率放大器。因此，在設計中，如何降低它們的功耗，是一個很重要的問題。

智能手機的低功耗設計

2 低功耗設計

2.1 降低cpu部分的供電電壓和頻率

在數(shù)字集成電路設計中，cmos電路的靜態(tài)功耗很低，與其動態(tài)功耗相比基本可以忽略不計，故暫不考慮。其動態(tài)功耗計算公式為：

pd=“ctv2f”　　　?。?）

式中：pd為cmos芯片的動態(tài)功耗；ct為cmos芯片的負載電容；v為cmos芯片的工作電壓；f為cmos芯片的工作頻率。

由式（1）可知，cmos電路中的功率消耗與電路的開關頻率呈線性關系，與供電電壓呈二次平方關系。對于cpu來說，vcore電壓越高，時鐘頻率越快，則功率消耗越大，所以，在能夠正常滿足系統(tǒng)性能的前提下，盡可能選

編解碼器等器件時，除了要考慮其性能外，還必須考慮其正常工作時的功耗。在設計接口電路時，必 須考慮以下幾個因素：

2.3.1 上拉電阻／下拉電阻的選取

軟件優(yōu)化是一個很重要的工作，可以大大提高軟件運行時的效率和降低軟件運行時的功耗。例如指令的重排，在不影響指令執(zhí)行結(jié)果的情況下，可以消除由于裝載延 遲、分支延遲、跳轉(zhuǎn)延遲等引起的指令流水線的失效［5］。如表1所示的arm匯編，把指令轉(zhuǎn)變成二進制編碼后，不同之處就是各個寄存器操作數(shù)的二進制編碼 不同。

根據(jù)表1，從電氣性能上來看，通過減小連續(xù)指令之間的漢明（hamming）距離，原代碼比優(yōu)化后代碼的比特位變化多6次，而兩組代碼實現(xiàn)同樣的功能，因 此，優(yōu)化后的指令執(zhí)行時的功耗小于原先指 令。因此，系統(tǒng)軟件完成后，在保證軟件功能一致的情況下，通過對代碼進行優(yōu)化，可以減小軟件在執(zhí)行時的功耗。

2.3.2 對懸空引腳的處理

對于系統(tǒng)中cmos器件的懸空引腳，必須給予重視。因為cmos懸空的輸入端的輸入阻抗極高，很可能感應一些電荷導致器件被高壓擊穿，而且還會導致輸入端信號電平隨機變化，導致cpu在休眠時不斷地被喚醒，從而無法進入睡眠狀態(tài)或其他莫名其妙的故障。所以正確的方法是，根據(jù)引腳的初始狀態(tài)，將未使用的輸入端接到相應的供電電壓來保持高電平，或通過接地來保持低電平。

2.3.3 緩沖器的選擇

緩沖器有很多功能，如電平轉(zhuǎn)換、增加驅(qū)動能力、數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆较蚩刂频?，當僅僅基于驅(qū)動能力的考慮增加緩沖器時，必須慎重考慮，因驅(qū)動電流過大會導致更多的能量被浪費掉。所以應仔細檢查芯片的最大輸出電流ioh和iol是否足夠驅(qū)動下級芯片，當可以通過選取合適的前后級芯片時應盡量避免使用緩沖器。

2.4 電源供給電路

由于使用雙cpu架構(gòu)，外設很多，需要很多種電源。僅以主cpu來說，就需要1.3v、2.4v和2.8v電壓，因此需要很多電壓變化單元。通常，有以下幾種電壓變換方式：線性調(diào)節(jié)器；dc／dc；ldo（低漏失調(diào)節(jié)器）。其中l(wèi)do本質(zhì)上是一種線性穩(wěn)壓器，主要用于壓差較小的場合，所以將其合并為線性穩(wěn)壓器。

線性穩(wěn)壓器的特點是電路結(jié)構(gòu)簡單，所需元件數(shù)量少，輸入和輸出壓差可以很大，但其致命弱點是效率低、功耗高，其效率η完全取決于輸出電壓大小。

dc／dc電路的特點是效率高、升降壓靈活，缺點是電路相對復雜，紋波噪聲干擾較大，體積也相對較大，價格也比線性穩(wěn)壓高，對于升壓，只能使用dc／dc。因此，在設計中，對于電源紋波噪音要求不嚴的情況，都是使用dc／dc的電壓轉(zhuǎn)換器件，這樣可以有效地節(jié)約能量，降低智能手機的功耗。

2.5 led燈的控制

智能手機電路中，鍵盤和lcd背光燈工作時會消耗大量能量。例如本文架構(gòu)中使用的lcd，其背光燈電氣要求如下： 正向電流典型值為15 ma，正向電壓典型值為14.4 v，背光燈消耗功率典型值為216 mw。　　由此可以看出，在正常工作時，lcd背景l(fā)ed燈功耗非常大。因此，在設計中，必須降低led燈的功耗?？梢酝ㄟ^以下方法：

a）在led燈回路中短接一個小電阻，改變阻值，用來控制led燈工作時的電流。

b）利用人眼的遲滯效應，使用pwm（脈寬調(diào)制）信號來控制led燈的開關。

在主cpu中，通過配置寄存器gpcon_u、gpcon_l可以把gpio20一gpio23和gpio2-gplo5配置成pwm信號輸出，再配置內(nèi)部相應的寄存器，控制pwm輸出信號的頻率和占空比，作為控制引腳來控制led背光燈，以此來降低lcd背光燈的功耗。

c）在手機圖形界面上提供一個調(diào)節(jié)背光燈亮度的界面，讓用戶在系統(tǒng)設置的led燈亮度基礎上，進一步調(diào)節(jié)背關燈的亮度，這樣，既增加了手機使用的靈活性，又進一步降低了手機的功耗。

無線modem部分的控制、試驗結(jié)果和討論

2.6 無線modem部分的控制

如圖1所示，智能手機的硬件體系結(jié)構(gòu)采用雙cpu架構(gòu)，無線modem作為主cpu的一個外設，與主cpu芯片的其他外設相比，具有其特殊性，例如當智能手機處于睡眠模式時，可以直接關閉lcd、攝像機等外設的供電電源，而無線modem不行，必須要求無線modem具有繼續(xù)等待來電、搜索網(wǎng)絡等功能，而不能直接將其關閉。而對于本文硬件架構(gòu)中的無線modem方案，其中也擁有一個系統(tǒng)，內(nèi)部運行完整的gsm（全球移動通信系統(tǒng)）協(xié)議和獨立的電源管理模塊，主cpu可以通過uart口和無線modem進行電源管理協(xié)商。無線modem內(nèi)部的電源管理由自己來控制，當無線modem處于空閑狀態(tài)時，自己能完好地進入和退出待機模式。因此，在本文的硬件架構(gòu)的設計上，當智能手機開機時，給無線modem加電、關機時，對modem進行斷電。

2.7 軟件優(yōu)化

式中：m=mdiv+8；p=pdiv+2，s=sdiv；mdiv、pdiv和sdiv可以通過寄存器進行設置。

因此，設計中確定主cpu主頻對于整個系統(tǒng)的功耗和性能是一個關鍵。本文在綜合考慮系統(tǒng)性能和功耗的基礎上，設置主cpu主頻為204 mhz。

3 試驗結(jié)果和討論

在智能手機的設計中，通過不斷進行硬件優(yōu)化和在軟件上實現(xiàn)電源的動態(tài)管理，測量智能手機在空閑模式和睡眠模式下的功率損耗，結(jié)果如表2所示。從表2可以看出，經(jīng)過優(yōu)化設計，智能手機在空閑模式下，電流值減小了10.2 ma，在睡眠模式下，電流值減少了1.5 ma。對于無線modem，由于自身含有獨立的電源管理模塊，基本上在3 ma左右，變化不大。相比未經(jīng)優(yōu)化設計，智能手機經(jīng)過優(yōu)化設計后，在睡眠模式下和空閑模式下，功率損耗有了顯著的降低，在相同的電池容量下，大大提高了智能手機的待機時間和使用時間。因此，通過上述方法，可以有效地降低智能手機的功耗。

隨著手機技術的發(fā)展，特別在智能手機設計中，低功耗設計會成為一個越來越迫切的問題。隨著一些新技術的出現(xiàn)并應用于智能手機的設計中，例如先進的電源管理芯片、先進的處理器，給設計者提供了更大的靈活性，可以大大降低智能手機功耗。但是，作為設計者，在進行系統(tǒng)設計和軟件編程時，必須時時考慮如何降低系統(tǒng)的功耗，只有這樣，設計出的系統(tǒng)才能擁有一個良好的性能，得到用戶的青睞。