淺析智能手機(jī)硬件低功耗設(shè)計(jì)

丁德政

摘 要：隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，智能手機(jī)逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ罟ぷ鞯谋貍涔ぞ?，智能手機(jī)除了人們進(jìn)行日常工作交流、傳輸信息之外，還豐富了人們的休閑娛樂業(yè)余生活。隨著手機(jī)應(yīng)用的不斷更新，智能手機(jī)的硬件功耗不斷成為人們的關(guān)注點(diǎn)，也逐漸成為生產(chǎn)商的新型發(fā)展方向。本文通過對(duì)智能手機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)進(jìn)行敘述，進(jìn)一步分析手機(jī)功耗較大的原因，最后論述降低手機(jī)功耗的設(shè)計(jì)方法，希望可以為智能手機(jī)生產(chǎn)商提供技術(shù)理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：智能手機(jī)；硬件系統(tǒng)；低功耗

中圖分類號(hào)： TN07 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2017）06-150-2

引言

智能手機(jī)在市場上的首次出現(xiàn)，就受到了廣大消費(fèi)者的青睞和認(rèn)可。智能手機(jī)在操作、系統(tǒng)，以及軟件的多樣化應(yīng)用上豐富了人們的業(yè)余生活。在早間、晚間的地鐵車站，隨處可見排隊(duì)等車的上班族拿著自己心愛的手機(jī)搜索自己想要知道的信息。智能手機(jī)的應(yīng)用不斷更新豐富使得手機(jī)的功率消耗成為用戶體驗(yàn)過程中的首要問題，需要通過技術(shù)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)改變調(diào)整。

1 簡述智能手機(jī)硬件結(jié)構(gòu)

現(xiàn)今市場上大眾化的智能手機(jī)產(chǎn)品在手機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)上存在著一定的共同點(diǎn)。關(guān)于智能手機(jī)硬件結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中損耗最大的部分主要是指手機(jī)的主處理器部分、無線Modern部分、傳聲器部分、揚(yáng)聲器部分、LCD部分、以及背光燈部分等。主處理器部分主要負(fù)責(zé)控制智能手機(jī)的整個(gè)系統(tǒng)，一般助力器皆采用開放型的操作運(yùn)行系統(tǒng)，通過數(shù)字基帶控制芯片進(jìn)行語音信號(hào)的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)A/D或者反向的語音轉(zhuǎn)換，可以對(duì)編解碼、無線貓進(jìn)行時(shí)間順序上的控制。具有先進(jìn)內(nèi)核技術(shù)的CPU芯片可以幫助主處理器在實(shí)現(xiàn)長時(shí)視頻功能的同時(shí)減少內(nèi)核的運(yùn)行壓力，實(shí)現(xiàn)語音、攝像、解碼工作的有機(jī)結(jié)合。大多數(shù)的智能手機(jī)硬件結(jié)構(gòu)中，無線貓加上外圍電路，就可以完成一部手機(jī)的制作，語音功能的實(shí)現(xiàn)主要依靠ABB和負(fù)責(zé)語音視頻的解碼器共同完成。

2 智能手機(jī)產(chǎn)生功耗的原因

2.1 CPU系統(tǒng)產(chǎn)生功耗

智能手機(jī)上市后，用戶的第一體會(huì)就是新型的智能手機(jī)應(yīng)用數(shù)量繁多、趣味性得到較大提升，但是，智能手機(jī)的續(xù)航能力卻大大不如從前的普通商務(wù)手機(jī)。許多手機(jī)生產(chǎn)商家在進(jìn)行產(chǎn)品預(yù)售宣傳時(shí)經(jīng)常會(huì)提到本公司新產(chǎn)品的高續(xù)航、低消耗的問題，吸引顧客前來購買。事實(shí)上，不管商家所言是否屬實(shí)，CPU芯片的確不斷朝著低功耗的方向前進(jìn)者。然而，CPU的功耗仍然占據(jù)整部手機(jī)的最大功耗比例。智能手機(jī)在制作過程中涉及單核雙核的問題，特別是現(xiàn)今安卓系統(tǒng)手機(jī)已經(jīng)出現(xiàn)了四核，甚至八核的智能手機(jī)，旨在提高手機(jī)運(yùn)行的流暢性。但是，通過數(shù)據(jù)計(jì)算顯示，核數(shù)越大，相應(yīng)功耗也成倍擴(kuò)大。經(jīng)過電路功耗的動(dòng)態(tài)計(jì)算公式顯示，CPU的功耗大小與電路中供電部分電壓的平方數(shù)成正比例關(guān)系，和電路中工作的頻率也成正比例關(guān)系。

2.2 背光燈工作產(chǎn)生功耗

市場上大部分的智能手機(jī)皆使用液晶顯示電容屏，背光燈在手機(jī)使用的能耗中占據(jù)較大的比例。例如，制作一部屏幕為3.5英寸的手機(jī)，所需背光燈的數(shù)量為六顆，只有這樣做才能充分保證屏幕亮度的均勻性。一顆背光燈的工作電壓是3.1伏特，通過串聯(lián)的連接方式將六顆LED燈連接起來所需電壓為18.6伏特。從電流的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面看，一顆背光燈的正常工作所需電流為20毫安，六顆背光燈若同時(shí)開到最亮狀態(tài)，則需要耗費(fèi)372兆瓦的電量。試想一下，人們將手機(jī)亮度開到最亮狀態(tài)，然后進(jìn)行手機(jī)視頻、手游應(yīng)用的使用，每段使用的時(shí)間不少于一個(gè)小時(shí)，那么，對(duì)于手機(jī)的功耗壓力則是不可估量的。在日常的手機(jī)使用過程中，人們?yōu)榱耸‰?，通常?huì)將手機(jī)的屏幕亮度降到最低來延長手機(jī)的續(xù)航，這個(gè)方法是用戶的無奈之舉，可以治標(biāo)但是不能治本，硬件損耗技術(shù)不斷革新發(fā)展才是減少此類問題的關(guān)鍵。

2.3 射頻部件系統(tǒng)以及其他部件的功耗

射頻部件系統(tǒng)也是智能手機(jī)高損耗的一個(gè)主要因素。智能手機(jī)的射頻部件中放大器是導(dǎo)致功率消耗巨大的重要部件，主要是因?yàn)榉糯笃鞯碾娐吩O(shè)計(jì)有缺陷，電阻的選用和接入不合理，導(dǎo)致放大器的功率較大，進(jìn)而消耗較多的電能。在以后的研究發(fā)展中，應(yīng)該重點(diǎn)考量射頻系統(tǒng)的優(yōu)化問題。其次，系統(tǒng)本身的功耗能力設(shè)計(jì)也決定了手機(jī)整體的功耗能力，用戶在使用手機(jī)應(yīng)用的過程中，對(duì)于一項(xiàng)功能使用的時(shí)間上具有不確定性，所以生廠商應(yīng)該提前思考手機(jī)使用的各種可能性，優(yōu)化系統(tǒng)損耗能力。再者，現(xiàn)今大多用戶喜歡使用無線設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，此類連接方式的功耗在一定程度上高于手機(jī)流量上網(wǎng)的功耗，且無線連接的耗能大小與信號(hào)強(qiáng)弱有著一定的聯(lián)系。

3 關(guān)于降低功耗的設(shè)計(jì)

3.1 解決CPU系統(tǒng)的電壓問題

由上文的第一原因分析中可知，CPU是影響智能手機(jī)電能功耗的最大因素，解決CPU系統(tǒng)的電壓問題和頻率問題是重中之重。在集成電路，特別是數(shù)字電路方面，要注意動(dòng)態(tài)消耗的數(shù)據(jù)計(jì)算，相反，半導(dǎo)體組成電路中的靜態(tài)功率消耗非常之小，完全可以忽略。在計(jì)算動(dòng)態(tài)消耗電能的計(jì)算公式中，涉及幾個(gè)參數(shù)，分別是：功能芯片的動(dòng)態(tài)總量功率消耗，半導(dǎo)體芯片負(fù)載的電容量，芯片所需要的電壓，以及芯片工作過程中的頻率。根據(jù)計(jì)算公式顯示，集成電路中功耗的數(shù)據(jù)和電路工作中開關(guān)的頻率系數(shù)呈現(xiàn)線性關(guān)系，與芯片工作所需電壓呈現(xiàn)平方關(guān)系。由此可以得出，芯片工作所需要的電壓越高，運(yùn)行的頻率就越快，最后CPU工作耗費(fèi)的功效耗能就越高。所以，生產(chǎn)商對(duì)于既定的CPU產(chǎn)品設(shè)計(jì)上，應(yīng)該在合理范圍內(nèi)對(duì)工作電壓和工作頻率進(jìn)行控制，盡量縮小數(shù)值。

3.2 控制DPM系統(tǒng)的運(yùn)行

DPM是對(duì)智能手機(jī)的主系統(tǒng)在運(yùn)行期間進(jìn)行電壓或者時(shí)間上的動(dòng)態(tài)控制，通過即時(shí)的動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)管理達(dá)到減少能耗的效果。動(dòng)態(tài)控制DPM主要通過軟件控制實(shí)現(xiàn)管理，動(dòng)態(tài)控制的過程系統(tǒng)的整體效率息息相關(guān)。首先，對(duì)智能手機(jī)中的工作模式進(jìn)行定義和分類管理。主CPU運(yùn)行系統(tǒng)應(yīng)該根據(jù)工作模式類別和強(qiáng)度對(duì)手機(jī)工作進(jìn)行合理分類，主要分為日常的工作模式，手機(jī)空閑工作模式，手機(jī)的睡眠待機(jī)模式，以及手機(jī)處于關(guān)閉狀態(tài)的模式設(shè)置。在四種常有手機(jī)工作模式中，調(diào)節(jié)主CPU 的電壓、工作頻率，以及手機(jī)其他部件電源燈光的智能啟動(dòng)和只能關(guān)閉，在設(shè)計(jì)過程中體現(xiàn)智能手機(jī)的最大智能特色，將智能技術(shù)和電能損耗有機(jī)結(jié)合起來。例如，通過固定手勢觸摸屏幕喚醒手機(jī)部分功能，其余非工作時(shí)間此部分功能處于睡眠狀態(tài)，可以極大程度上減少手機(jī)電池的損耗。

3.3 接口電路設(shè)計(jì)和LED燈低損耗設(shè)計(jì)

在智能手機(jī)的接口電路設(shè)計(jì)過程中，生產(chǎn)商除了考慮產(chǎn)品的性能新穎之外，應(yīng)該更加注意芯片的能源損耗問題。在上拉電阻或者下拉電阻部件的選擇應(yīng)用上，應(yīng)該注意未處于工作狀態(tài)的引腳不可以懸空處置，通過增加上拉電阻進(jìn)行電平輸出的提高能力，來加強(qiáng)芯片的抗干擾能力。在一系列的驅(qū)動(dòng)工作實(shí)施中，合理把握電阻的使用度，確保信號(hào)的平穩(wěn)完整和電源內(nèi)的低能耗性。合理控制LED燈的電流控制問題，可以通過改變回路中的電阻阻值控制電流，結(jié)合人眼的生理機(jī)能調(diào)節(jié)電流信號(hào)，控制損耗。

3.4 電源供給電路

由于智能機(jī)外設(shè)非常多，需要多種電源（1.3V、1.8V、2.8V和3.3V電壓等），和不同的電路分開供電，因此需要使用多個(gè)電壓變化單元。DC―DC電路的特點(diǎn)是效率高、升降壓靈活，缺點(diǎn)是紋波噪聲干擾較大。因此，在設(shè)計(jì)中，對(duì)于電源紋波噪音要求不嚴(yán)的情況，使用DC-DC電壓轉(zhuǎn)換器件，這樣可以有效地節(jié)約能量，降低智能手機(jī)的功耗。

4 結(jié)論

綜上所述，智能手機(jī)要想在快速的更新變化中脫穎而出，必須加強(qiáng)CPU、DPM、LED背光燈以及接口電路的技術(shù)創(chuàng)新改造。通過控制機(jī)器的工作電壓、通過電流、組合電阻以及電源供給電路實(shí)現(xiàn)手機(jī)的低功率消耗，不斷分析總結(jié)從前的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，重視用戶體驗(yàn)，將用戶的使用舒適度放在第一位，迎合我國的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略，為我國通信技術(shù)的發(fā)展做貢獻(xiàn)。

參 考 文 獻(xiàn)

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