低功耗手多媒体终端硬件平台的研究的论文_物理论文

作者：温淑鸿崔慧娟来源：电子技术应用
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。wwW.11665.coM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。

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