一种智能手机的低功率损耗设计

文章摘要： 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

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        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。

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         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：

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