低功耗手多媒体终端硬件平台的研究

     摘要：通过选择低功耗器件，特别是高效率DC/DC变换器，合理进行电路板布线，优化结构级设计，进行系统级功率管理，从而延长电池工作时间。根据多媒体终端的要求，选择了许多新工艺器件，极大地降低了系统功耗。
    
     关键词：低功耗 OMAP1510 能源效率 DC/DC变换器
    
     手机、PDA等手持设备对图像、音频处理能力的要求日益提高，同时要求设备的体积、重量越来越小。这些设备一般靠单节可充电锂电池作为电源。因而提高处理能力，降低系统功耗以延长电池工作时间是手持设备的重要研究课题[1]。
    
     参考文献[1]讨论了低功耗的系统设计技术，特别强调减小电容，缩减不必要的开关行为，降低电压和频率。外部器件间的连接通常比片上连接电容更大。实验证明10%～40%的能量消耗在总线多工器驱动器上。应减少输出，尽量使用片上资源。单纯降低频率并不能降低功耗，因为完成同样的任务需要更长的时间。降低电压会导致性能降低，通过增加并行器件来弥补。选择低电压的CMOS芯片，芯片内各个功能模块应能分别进行低功耗的管理。CMOS器件的功耗主要分两类：静态功耗和动态功耗。运态功耗依赖于工作频率，静态功耗与工作频率无关。偏置电流(Pb)和泄漏电流（Pl）引起静态功耗，短路电流(Psc)和动态功耗(Pd)是由电路的开关行为引起的。器件总功耗P可以表示为：
    
     P=Pd+Psc+Pb+Pl
    
     Pd=Caff V2 f
    
     Ceff= C
    
     上式中，V和f分别是器件工作电压和频率，Ceff是等效的开关电容，C是允放电电容，是活跃性加权因子，表示电路状态发生改变的概率。CMOS器件功耗的85～90%是动态功耗，而动态功耗与工作电压的平方成正比。因此选择低电压器件能极大地降低功耗。
    
     1、主处理器选择
    
     目前在手持设备中，主要运用ARM处理。ARM处理器的优点是价格低、功耗小，特别适合各种控制功能[2]。ARM芯片采用冯·诺依曼结构，指令、数据地址存储统一编址，使用单一的32位数据总线传送指令和数据。这种体系结构使ARM控制功能较强，媒体处理速度较慢，适合人机接口和通信协议。为了提高媒体处理能力，INTEL在PXA250 Xscale芯片上增加了协处理器，用来进行乘累加。TI的OMAP1510芯片内部集成了一个ARM925核及一个C55X核。ARM工作频率高达175MHz。C55X采用哈佛结构，具有程序总线、三条读数据总线和二条写数据总线。C55X具有两个硬件乘累加单元、两个ALU，还有用于DCT/IDCT、运动估计、1/2像素内插的硬件加速器。工作电压1.6V，视频高达到200MHz。C55x指令集从8～48比特，改善了代码密度，减少了存储器访问次数。
    
     2、最小单片机系统（存储器）
    
     目前存储器主要有：SRAM、SDRAM、FRAM、EEPROM、FLASH。由于平台常存储大量数据，如操作系统应用程序，可以选择FLASH，如INTEL 28F128L18[3]。
    
     28F128L18初始访问时间是85ns，异步页模式为25ns，同步突发为54MHz，能在读周期完成后自动进入功率节省模式，片选无效或复位有效时进入standby模式，电流大约50uA，异步读电流大约18mA。为了回快应用程序的招执，配置SDRAM或者SRAM。由于SDRAM比SRAM容量大、价格便宜，选用SDRAM用于数据存储。由于系统在运行时，大功耗元件除LCD背景光外，就是SDRAM。偿和部分阵列刷新的Mobile SDRAM产品对降低功耗十分重要。如SAMSUNG K4M28163PD-RS1L，自动刷新电流85mA，4 bank激活突发模式为50mA，可使能SDRAM自动预充。这样在每次突发读写后，该bank进入空闲状态，电流可降到5.5mA。OMAP1510对K4M28163PD-RS1L进行控制时，应置K4S56163-RR75为全页突发，以减小访问时间，降低功耗。系统常有一些数据量不大的数据需要保存，可采用铁电存储器，如声音的音量、LCD的亮度。这些参数如果保存到FLASH或者EEPROM，功耗会更大。FLASH需要整块擦除。RAMTRON的FM24CL16在3V电源100kHz频率读写时，电流为75uA,standby电流为1uA。ATMEL AT24C16在5V 100kHz读写电流分别是0.4mA、2mA，在2.7V时standby电流为1.6uA。AT24CL16字节写入时间大约10ms，FM24CL16写入时间总为线时间，不需延时，因而功耗较小。SDRAM与FLASH、SRAM采用不同的接口，在调试ARM中断服务程序时，由于中断服务矢量位于低端地址，调试时最好有SRAM映射到0地址处。因此SRAM和FLASH的片选信号应该是可配置的。SRAM可选用Cypress CY62157DV18，典型工作电流10mA，standby电流为2uA。
    
     3、其它周边元件
    
     LCD显示屏应用透射反射型，如SHARP LQ035Q7DB02。反射型LCD在强光条件下有明亮的高对比度，但在弱光条件下需要更高的亮度。SHARP把反射型LCD与背后点亮透射型LCD技术相结合，在强光条件下用作反射型LCD，在弱光条件下用作背后点亮透射型LED时功耗为350mW。Xilinx CoolRunner-II CPLD使用了快速零功耗技术。在手持多媒体终端中，图像采集模块和声音采集模块数据量大，因此除静态功耗外，还应综合考虑接口电压高低，即数据传输引起的动态损耗。
    
     4、电源产生
    
     锂离子电池是目前应用最为广泛的锂电池，可充电的锂离子电池的额定电压为3.6V（有的产品为3.7V）。充满电时的终止充电电压与电池阳极材料有关：阳极材料为石墨的4.2V；阳极材料为集炭的4.1V。不同阳极材料的内阻也不同，焦炭阳极的内阻略大。锂离子电池的放电曲线平坦，终止放电电压为2.5V～2.75V。在通常的固定频率DC/DC变换器中，主要有三类功率损失：（1）负载电流相关的损失，主要包括MOSFET的导通电阻、二极管正向导通压降、电感电阻、电容等效串联电阻；（2）开关频率相关的损失有MOSFET的输出电容栅极电容及门驱动损失等；（3）其它固定损失，如MOSFET、二级管、电容泄漏电流损失。在大负载电流时，主要是电流相关功率损失，在小负载情况下，主要是频率相关功率损失。在负载电流范围较宽时，采用调频方式效率更高[9]。文献[10]讨论了在断续导通和连接导通模式时提高效率的控制方法。很DC/DC变换器都能上固定频率或在轻负载时以跳脉冲方式工作。这两种方式切换可由芯片外部控制（如TI的TPS60110、PINEAR的LTC3440），也可由芯片内部自动控制，如Philips的TEA1207。如果由芯片管理脚控制，则由ARM控制：ARM处理器控制各个功能模块掉电或者空闲，分别测出功能模块不同状态下的工作电流，并根据负载电流值，结合电源芯片的两种模式下的效率曲线或者其它电路参数，选择高效率的工作方式。
    
     OMAP应用平台需要多种电源，如用于核的1.6V，用于FLASH、SDRAM的1.8V或者2.75V，用于USB或者模拟音频的3.3V，用于USB接口的5V，用于LCD供电码的+15V等。先升压到5V，再用线性稳压器LDO降到低电压1.5、1.8、2.5、2.8、3.0、3.3V等的方法效率较低，尤其是低电压。TI的innovator主板上的1.6V、2.7V、3.1V、3.3V是这样产生的：电池电压经过TPS60110（四片并联输出）得到5V，再分别经过TPS76701 LDO线形稳压得到1.6V、2.7V、3.1V、3.3V。采用cuk电容变换器和低压差线形稳压芯片LDO的优点是不需电感、使用方便、成本低。采用以下方法提高电源效率：输出电压低于锂电池最小放电电压时，如2.5V、1.8V、1.6V，选择单纯的buck电感变换器；当输出电压高于锂电池电压降到2.5V时仍能正常工作的下变换芯片，能延长放电时间。对于3.3V,可使用LINEAR公司单片BUCKBOOST电感变换器如LTC3441f，在负载200mA、3.3V输出时，在锂电池放电电压范围内效率高达90%。LTC3441占空比只能达到(1-150nsXf)%。可设计BUCK-BOOST电感变换器，在锂电池放电电压下降到接近或等于器件工作电压时，用作buck变换器时占空比达到100%，即输入电压通过电感到达输出，没有开关切换，没有高频切换损失，效率将害到最高。因为很多芯片都有较宽的电压范围。如28F128J3A VCC=2.7～3.6V,VCCQ=2.7～3.6V;ADS7846 VCC=2.2～5.25V;LAN91C96 VCC=3.3V+10%;AT24C04 VCC=1.8～5.5V。锂离子电池在3.3V左右放电时间较长，能更大限度提高电源效率，延长电池寿命。
    
     下面是电源方案：
    
     锂电池-TEA1200（或TEA1201TS）-L1.5V(或者1.8V)；
    
     锂电池-LTC3441-3.3V(或者1.8V,3.0V,5V)（效率可高达96%）；
    
     锂电池-TEA1200（或TEA1201TS，TPS60110）-5V（效率可高达95%）。
    
     在手持设备中，一节锂电池供电，输出多种电压电源。电池工作时间长短，不仅取决于各器件的低功耗、电源变换器的能源效率，还取决于系统对器件的功耗管理和软件功耗。