??? 摘 要： 通過選擇低功耗" title="低功耗">低功耗器件，特別是高效率DC/DC" title="DC/DC">DC/DC變換器" title="變換器">變換器,合理進行電路板布線，優化結構級設計，進行系統級功率管理，從而延長電池工作時間。根據多媒體終端的要求，選擇了許多新工藝器件，極大地降低了系統功耗。
??? 關鍵詞: 低功耗? OMAP1510? 能源效率? DC/DC變換器
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??? 手機、PDA等手持設備對圖像、音頻處理能力的要求日益提高，同時要求設備的體積、重量越來越小。這些設備一般靠單節可充電鋰電池作為電源。因而提高處理能力，降低系統功耗以延長電池工作時間是手持設備的重要研究課題[1]。
??? 參考文獻[1]討論了低功耗的系統設計技術，特別強調減小電容，縮減不必要的開關行為，降低電壓" title="低電壓">低電壓和頻率。外部器件間的連接通常比片上連接電容更大，實驗證明10%～40％的能量消耗在總線多工器驅動器上。應減少輸出，盡量使用片上資源。單純降低頻率并不能降低功耗，因為完成同樣的任務需要更長的時間。降低電壓會導致性能降低，通過增加并行器件來彌補。選擇低電壓的CMOS 芯片，芯片內各個功能模塊應能分別進行低功耗的管理。CMOS 器件的功耗主要分兩類：靜態功耗和動態功耗" title="動態功耗">動態功耗。動態功耗依賴于工作頻率，靜態功耗與工作頻率無關。偏置電流（Pb）和泄漏電流(Pl)引起靜態功耗，短路電流(Psc)和動態功耗（Pd)是由電路的開關行為引起的。器件總功耗P可以表示成：
??? P=Pd+Psc+Pb+Pl
??? Pd=Ceff V2 f
??? Ceff＝α C
??? 上式中，V和 f分別是器件工作電壓和頻率，Ceff 是等效的開關電容，C是充放電電容，α是活躍性加權因子，表示電路狀態發生改變的概率。CMOS 器件功耗的85～90％是動態功耗，而動態功耗與工作電壓的平方成正比。因此選擇低電壓器件能極大地降低功耗。
1 主處理器選擇
??? 目前在手持設備中，主要運用ARM 處理器。ARM 處理器的優點是價格低、功耗小，特別適合各種控制功能[2]。ARM 芯片采用馮·諾依曼結構, 指令、數據地址存儲統一編址，使用單一的32位數據總線傳送指令和數據。 這種體系結構使ARM 控制功能較強, 媒體處理速度較慢，適合人機接口和通信協議。為了提高媒體處理能力，INTEL在PXA250 Xscale 芯片上增加了協處理器，用來進行乘累加。TI的OMAP1510芯片內部集成了一個ARM925核及一個C55X核。ARM工作頻率高達175MHz。C55X 采用哈佛結構，具有程序總線、三條讀數據總線和二條寫數據總線。C55X具有兩個硬件乘累加單元、兩個ALU，還有用于DCT/IDCT、運動估計、1/2像素內插的硬件加速器。工作電壓1.6V,頻率高達200MHz。C55x指令集從8～48比特，改善了代碼密度，減少了存儲器訪問次數。
2 最小單片機系統（存儲器）
??? 目前存儲器主要有：SRAM、SDRAM、FRAM、EEPROM、FLASH。由于平臺常存儲大量數據，如操作系統應用程序，可以選擇FLASH，如INTEL 28F128L18[3]。 28F128L18初始訪問時間是85ns，異步頁模式為25ns，同步突發為54MHz，能在讀周期完成后自動進入功率節省模式，片選無效或復位有效時進入standby模式，電流大約50μA，異步讀電流大約18mA。為了加快應用程序的執行，配置SDRAM或者SRAM。由于SDRAM 比SRAM 容量大、價格便宜，選用SDRAM用于數據存儲。由于系統在運行時，大功耗元件除LCD背景光外，就是SDRAM。而多媒體需要大量數據讀寫，因此選用低電壓、溫度補償和部分陣列刷新的Mobile SDRAM產品對降低功耗十分重要。如SAMSUNG K4M28163PD-RS1L，自動刷新電流85mA，4 bank激活突發模式為50mA，可使能SDRAM自動預充。這樣在每次突發讀寫后，該bank 進入空閑狀態，電流可降到5.5mA。OMAP1510對K4M28163PD-RS1L進行控制時，應置K4S56163-RR75為全頁突發，以減小訪問時間，降低功耗。系統常有一些數據量不大的數據需要保存，可采用鐵電存儲器，如聲音的音量、LCD的亮度。這些參數如果保存到FLASH或者EEPROM,功耗會更大。FLASH 需要整塊擦除。RAMTRON的FM24CL16在3V 電源 100kHz 頻率讀寫時，電流為75μA，standby 電流為1μA。ATMEL AT24C16 在5V 100kHz讀寫電流分別是0.4mA、 2mA,在2.7V時standby電流為1.6μA。AT24C16字節寫入時間大約10ms，FM24CL16 寫入時間為總線時間，不需延時，因而功耗較小。SDRAM與FLASH、SRAM 采用不同的接口，在調試ARM 中斷服務程序時，由于中斷服務矢量位于低端地址，調試時最好有SRAM映射到0 地址處。因此SRAM和FLASH的片選信號應該是可配置的。SRAM可選用Cypress CY62157DV18, 典型工作電流10mA，standby 電流為2μA。
3 其它周邊元件
??? LCD顯示屏應采用透射反射型，如SHARP LQ035Q7DB02。反射型LCD 在強光條件下有明亮的高對比度,但在弱光條件下需要更高的亮度。SHARP 把反射型LCD與背后點亮透射型LCD技術相結合,在強光條件下用作反射型LCD, 在弱光條件下用作背后點亮透射型LCD。反射模式時功耗為26mW；透射模式即點燃背景光LED時功耗為350mW。Xilinx CoolRunner-II CPLD使用了快速零功耗技術。在手持多媒體終端中，圖像采集模塊和聲音采集模塊數據量大，因此除靜態功耗外，還應綜合考慮接口電壓高低，即數據傳輸引起的動態損耗。
4 電源產生
??? 鋰離子電池是目前應用最為廣泛的鋰電池，可充電的鋰離子電池的額定電壓為3.6V(有的產品為3.7V)。充滿電時的終止充電電壓與電池陽極材料有關：陽極材料為石墨的4.2V；陽極材料為焦炭的4.1V。不同陽極材料的內阻也不同，焦炭陽極的內阻略大。鋰離子電池的放電曲線平坦，終止放電電壓為2.5V～2.75V。在通常的固定頻率DC/DC變換器中,主要有三類功率損失：（1）負載電流相關的損失，主要包括MOSFET的導通電阻、二極管正向導通壓降、電感電阻、電容等效串聯電阻；（2）開關頻率相關的損失有MOSFET的輸出電容柵極電容及門驅動損失等；（3）其它固定損失，如MOSFET、二極管、電容泄漏電流損失。在大負載電流時，主要是電流相關功率損失，在小負載情況下，主要是頻率相關功率損失。在負載電流范圍較寬時，采用調頻方式效率更高[9]。文獻[10]討論了在斷續導通和連續導通模式時提高效率的控制方法。很多DC/DC變換器都能以固定頻率或在輕負載時以跳脈沖方式工作。這兩種方式切換可由芯片外部控制（如TI的TPS60110、LINEAR的LTC3440），也可由芯片內部自動控制，如Philips的TEA1207。如果由芯片管腳控制，則由ARM控制：ARM處理器控制各個功能模塊掉電或者空閑,分別測出功能模塊不同狀態下的工作電流，并根據負載電流值，結合電源芯片的兩種模式下的效率曲線或者其它電路參數，選擇高效率的工作方式。
??? OMAP 應用平臺需要多種電源，如用于核的1.6V,用于FLASH、SDRAM的1.8V或者2.75V, 用于USB或者模擬音頻的3.3V，用于USB接口的5V，用于LCD供電的±15V等。先升壓到5V，再用線性穩壓器LDO降到低電壓1.5、1.8、2.5、2.8、3.0、3.3V等的方法效率較低，尤其是低電壓。TI的innovator主板上的1.6V、2.7V、3.1V、3.3V是這樣產生的：電池電壓經過TPS60110(四片并聯輸出)得到5V，再分別經過TPS76701 LDO線形穩壓得到1.6V、2.7V、3.1V、3.3V。采用cuk 電容變換器和低壓差線形穩壓芯片LDO的優點是不需電感、使用方便、成本低。采用以下方法提高電源效率：輸出電壓低于鋰電池最小放電電壓時，如2.5V、1.8V、1.6V，選擇單純的buck 電感變換器；當輸出電壓高于鋰電池最大放電電壓時，采用單純的boost 電感變換器。采用輸入電壓降到2.5V時仍能正常工作的下變換芯片，能延長放電時間。對于3.3V，可使用LINEAR公司單片BUCK-BOOST 電感變換器如LTC3441f，在負載200mA、3.3V輸出時，在鋰電池放電電壓范圍內效率高達90％。LTC3441占空比只能達到(1－150ns×f)%。可設計BUCK-BOOST 電感變換器，在鋰電池放電電壓下降到接近或等于器件工作電壓時，用作buck 變換器時占空比達到100％，即輸入電壓通過電感到達輸出，沒有開關切換，沒有高頻切換損失，效率將達到最高。因為很多芯片都有較寬的電壓范圍，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。鋰離子電池在3.3V左右放電時間較長，能更大限度提高電源效率，延長電池壽命。
??? 下面是電源方案：
??? 鋰電池→TEA1200（或TEA1201TS）→1.5V(或者1.8V)；
??? 鋰電池→LTC3441→3.3V(或者1.8V,3.0V,5V) (效率可高達96％);
??? 鋰電池→TEA1200（或TEA1201TS，TPS60110）→5V(效率可高達95％)。
??? 在手持設備中，一節鋰電池供電，輸出多種電壓電源。電池工作時間長短，不僅取決于各器件的低功耗、電源變換器的能源效率，還取決于系統對器件的功耗管理和軟件功耗。
參考文獻
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