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智能手机的硬件构成与低功耗设计问题

更新时间:2015-12-30 13:43:42点击次数:1080次

一、智能手机硬件系统构成

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。

二、低功耗设计

1、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、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。

3、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。

4、 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。

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