低功耗手多媒体终端硬件平台的研究

2007-03-09 19:03:27来源: 互联网
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%26;#183;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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