智能手机的低功耗设计介绍

随着智能手机的功能越来越强大，其功率损耗也越来越大。如何提高智能手机的使用时间和待机时间，是大家都非常关注的问题。在配备更大容量的手机电池作用有限的情况下，本文揭示了如何采用先进技术改进系统设计，以降低手机功率损耗。

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。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。

智能手机的低功耗设计

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

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。

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。

无线modem部分的控制、试验结果和讨论

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。

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，在进行系统设计和软件编程时，必须时时考虑如何降低系统的功耗，只有这样，设计出的系统才能拥有一个良好的性能，得到用户的青睐。