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消費者對于移動(dòng)多媒體的需求是毫無(wú)疑問(wèn)的，滿(mǎn)足這些需求的技術(shù)已經(jīng)開(kāi)發(fā)成功，對于設計人員而言，剩下的問(wèn)題就是如何利用這些技術(shù)，并將成功的產(chǎn)品帶入市場(chǎng)。本文將討論如何減省移動(dòng)多媒體設備內關(guān)鍵元件的功耗，此外也會(huì )對現今移動(dòng)多媒體設備設計人員所面對的工程挑戰作出概括的分析，并就目前及新涌現的硅技術(shù)，提出可克服這些工程挑戰的解決方案。 移動(dòng)設備的功率管理 在網(wǎng)絡(luò )的移動(dòng)部分存在一個(gè)特別的功率消耗，因為這些移動(dòng)設備一般由電池供電。大的電池增加了移動(dòng)設備的尺寸和重量，但小電池卻縮短了每次充電后的使用時(shí)間，無(wú)論哪種情況都不利于用戶(hù)使用。此外，電池電源還存在著(zhù)一些隱藏成本，這便是充電和蓄電的效率并不理想。所有的充電電池都會(huì )自放電，情況最為嚴重的要數NiCd電池和NiMH電池，在充電完成后的首個(gè)24小時(shí)之內，這兩種電池即會(huì )損失自身電量的10％。所幸，采用新的電池控制技術(shù)，不僅可以使電池輸出更多的能量，而且也可提高效率。 在大部分無(wú)線(xiàn)設備中，發(fā)送器的功率放大器是主要的耗電元件。提升功率效率的一種趨勢是將蜂窩通信基礎設施轉移到新技術(shù)上，其中包括射頻遠端模塊。該方法是將移動(dòng)設備與基站無(wú)線(xiàn)電收發(fā)機的距離拉近，從而降低發(fā)送器的功率。在基站高密度覆蓋的城區或郊區，移動(dòng)設備通常會(huì )要求基站提供一個(gè)功率水平，而這個(gè)水平遠在發(fā)送器所能提供的最高功率水平以下。這樣，移動(dòng)設備便可以通過(guò)降低RF功率放大器的電源電壓來(lái)優(yōu)化發(fā)送器的功率。 可優(yōu)化電池電源的新策略 當我們尋找節省功率的機會(huì )時(shí)，我們必須首先從電源管理芯片本身開(kāi)始。電源管理的新策略對這種新趨勢極其有利，其中包括： PowerWise 自適應電壓調節 圖1所示為一個(gè)使用在移動(dòng)電話(huà)和其他便攜設備中的PowerWise接口（PWI）兼容能量管理單元（EMU）。其中，兩個(gè)高效并具有自適應電壓調節（AVS）功能的開(kāi)關(guān)式DC/DC降壓轉換器為CPU和DSP核心提供了大電流電源軌，而五個(gè)低降壓（LDO）線(xiàn)性穩壓器則為存儲器和外圍設等設備提供輔助功率輸出。 圖1 具有自適應電壓調節功能的多輸出調節器 AVS技術(shù)是通過(guò)從一個(gè)或多個(gè)硬件性能監測器（HPM）的反饋來(lái)實(shí)現的。由于每個(gè)HPM都集成在與負載一起的芯片上（一般是高功率的CPU芯片或DSP核心），因此，它們是在相同的硅工藝變化下進(jìn)行制造，并具有相同的設備工作溫度變化。這樣就可以將電源電壓調整到盡量接近設備實(shí)際可承受限值的程度。 一個(gè)先進(jìn)的電源控制器（APC）利用來(lái)自各個(gè)HPM的輸入，以確定是否需要對其電源電壓進(jìn)行優(yōu)化。APC通過(guò)雙線(xiàn)PowerWise接口向電源內的一個(gè)從動(dòng)控制器發(fā)出電壓調節指令。電壓經(jīng)調整后，硅片的性能將持續受到各個(gè)HPM的監視，如果出現進(jìn)一步優(yōu)化的需要，則APC會(huì )發(fā)出一個(gè)新的電壓調整指令。電源必須在收到APC發(fā)出的指令后及時(shí)地調整其電壓，這樣AVS控制系統的反饋環(huán)路才能保持穩定。 在最高頻率下的負載電源電壓規格可保證系統能在最高工作溫度和最差的硅性能下正常運行�？墒�，實(shí)際工作溫度一般低于最大工作溫度，而實(shí)際硅片的處理能力也往往會(huì )優(yōu)于最不利情況。因此，在實(shí)際工作條件下，就存在于最高頻率下把電壓降低的空間，AVS技術(shù)即可以利用這一空間達到近乎完美的工作功率。 LDO的輔助輸出同樣也可以通過(guò)PWI進(jìn)行編程，盡管它們沒(méi)有參與到AVS反饋環(huán)路中。它們的輸出電壓可以獨立地被編程，也可以獨立地被開(kāi)啟或關(guān)閉。兩個(gè)LDO的已調節輸出有一個(gè)可選擇的數據保持電壓，在這種模式下，于休眠模式期間（一種節能模式）的功率可降到指定的最低電壓，僅足夠用于保存易失存儲器中的內容，與此同時(shí)，CPU芯片或DSP核心的電壓將降到零。由于避免了啟動(dòng)過(guò)程和無(wú)需再從只讀存儲器或閃速存儲器中重新加載丟失的數據，因此可讓核心快速從休眠模式下蘇醒。 升降壓和多模式電壓調節器 升降壓轉換器可在一個(gè)寬闊的輸入電壓范圍內提供穩定的輸出。升降壓轉換器利用兩個(gè)N通道MOSFET和兩個(gè)P通道MOSFET來(lái)實(shí)現在降壓轉換器模式（當VIN > VOUT時(shí)）與升壓轉換器模式（當VIN 圖2 結合式升降壓/多模式調節器工作區域 RF功率放大器的節能 毫無(wú)疑問(wèn)，近年蜂窩通信基本設施的改變加大了節能的可行性。在此之前，蜂窩網(wǎng)絡(luò )仍完全由基站收發(fā)信臺（BTS）組成，如圖3左所示。各個(gè)BTS的位置均經(jīng)過(guò)計劃以確保高覆蓋率并盡量避免空位和死區。當一個(gè)移動(dòng)設備靠近BTS時(shí)，移動(dòng)設備會(huì )通過(guò)降低發(fā)射能量來(lái)協(xié)議一個(gè)較低功率的模式，并同時(shí)保持一個(gè)可接受的信號強度。 圖3 射頻遠端模塊提供更大的信號強度 在新落成的基站中，無(wú)線(xiàn)電收發(fā)信機可放置在離基站較遠的地方（幾百米或幾千米的距離），如圖3右所示。由于設有多個(gè)射頻遠端模塊，因此增加了覆蓋率和減少了發(fā)信機和接收機之間的距離�；诰嚯x的縮減 ，移動(dòng)設備可更頻密地協(xié)議降低發(fā)射器的功率，從而增加了移動(dòng)設備的運行時(shí)間。 將以前由單個(gè)無(wú)線(xiàn)電基站覆蓋的一個(gè)蜂窩劃分成許多更小的蜂窩區（可稱(chēng)之為“小蜂窩”），這樣就可以重復使用分配給蜂窩運營(yíng)商的頻率。其他技術(shù)，諸如定向天線(xiàn)和智能天線(xiàn)（將相控陣技術(shù)用于波束導向），它們能夠支持空分多路復用通信，對于分布在相同蜂窩或小蜂窩中的用戶(hù)，他們可使用相同的頻率。所有的這些技術(shù)都能在給定的分配頻率下，增加可用的頻率以支持更多的用戶(hù)，以及支持原本需要動(dòng)用多個(gè)時(shí)隙（或帶寬的其他單位）的多媒體服務(wù)，這些服務(wù)就有如幾個(gè)話(huà)音連接。 RF功率放大器的專(zhuān)用穩壓器 在傳統設計中，蜂窩式電話(huà)的RF功率放大器（PA）是直接由電池驅動(dòng)的，如圖4所示�？墒�，如果PA在低于全功率的情況下運行，則可以通過(guò)降低PA電源電壓來(lái)獲得可觀(guān)的節能效果。因為PA的功耗一般等于蜂窩式電話(huà)總功耗的一半，因此，這種節能方法可大大降低功耗。然而，隨著(zhù)功率水平和溫度上升，電源電壓必須上升到得以維持PA的線(xiàn)性程度。 圖4 RF功率放大器電源 一個(gè)模擬輸入VCON控制輸出電壓。VCON信號可由RF功率檢測器芯片驅動(dòng)，這為PA電壓的自動(dòng)調節（對RF功率水平作出響應）提供了一個(gè)完整的解決方案。而另一個(gè)方法是，由主機微控制器的可編程模擬輸出驅動(dòng)VCON輸入，這是由于該微控制器負責與無(wú)線(xiàn)電基站協(xié)商功率水平，因此它對功率水平很了解。 低功率顯示器的架構 顯示器是能量的主要消耗者，不僅僅是顯示器面板本身，還包括視頻接口、視頻控制器和背光。 移動(dòng)像素鏈路（MPL）接口 MPL可提供低引腳數量、低EMI和高效率的位圖顯示，而MPL之所以達到這些功能全靠以下特點(diǎn)： 更少的信號線(xiàn)—使用一個(gè)串行接口來(lái)替代并行視頻數據總線(xiàn)，一般可將28條信號線(xiàn)減少到僅3到4條。這既簡(jiǎn)化了互接布線(xiàn)（一般是在主電路板和平板顯示模塊之間的扁平電纜或柔性線(xiàn)路），又減少了產(chǎn)生EMI的天線(xiàn)數量。* 降低開(kāi)關(guān)電流 – 與TTL和LVCMOS水平相比，電流模式信號降低了開(kāi)關(guān)電流一個(gè)量級。* * 減少電壓擺幅 – 信號的電壓擺幅僅20 mV， 而TTL 和 LVCMOS則為1.8V。 圖5所示為一個(gè)MPL接口的架構圖，用于連接平板顯示驅動(dòng)器。圖中的MPL負責提供高帶寬的視頻接口，而SPI接口則用于訪(fǎng)問(wèn)顯示驅動(dòng)器的寄存器。當視頻數據尚未傳遞時(shí)，MPL接口可以被關(guān)閉以進(jìn)一步降低功耗。 圖5 移動(dòng)像素鏈路接口 MPL串行器可以為來(lái)自視頻控制器的并行視頻總線(xiàn)和MPL接口之間提供一個(gè)接口。視頻總線(xiàn)一般為24位的RGB視頻(它會(huì )被抖動(dòng)成18位以在MPL上傳送)并擁有多至三個(gè)控制信號（HSYNC、VSYNC等）。三個(gè)芯片內的256 ×8查找表為每種顏色提供了獨立的顏色修正。至于SPI接口則用于為查找表和控制寄存器編程。 平板顯示驅動(dòng)器可以采用集成MPL接收器。對于缺少MPL接口的顯示驅動(dòng)器，可采用MPL解串器來(lái)重新產(chǎn)生出并行視頻總線(xiàn)。 自動(dòng)更新模式 當沒(méi)有視頻輸入時(shí)，芯片內的局部顯示存儲器可自行更新顯示器，并允許MPL接口關(guān)閉。這種功能可在用戶(hù)不觀(guān)看視頻或瀏覽網(wǎng)頁(yè)時(shí)，系統仍可顯示文本、即時(shí)短信或MP3音軌列表。該顯示存儲器可在MPL處于關(guān)閉時(shí)經(jīng)由一個(gè)SPI接口來(lái)訪(fǎng)問(wèn)。這種自動(dòng)更新功能可以每像素3位的速度去更新一個(gè)240× 320像素的低分辨率圖像顯示或以每像素1位的速度來(lái)更新320 × 720的顯示區。 RGB LED背光驅動(dòng)器 一個(gè)具備視頻質(zhì)量的圖像顯示會(huì )要求一個(gè)高純度的白光源，而無(wú)論顯示器的供應商是哪一個(gè)，又或在什么樣的亮度級和溫度，這個(gè)光源都必須維持純白。傳統的白光LED解決方案僅提供一個(gè)由白光LED廠(chǎng)商提供的固定顏色補償。相反地，一個(gè)RGBLED光源通過(guò)將紅光、綠光和藍光LED的輸出結合而混合成白色光�；谶@種合成原理，RGBLED光源可通過(guò)對各個(gè)主色驅動(dòng)器的脈寬調制來(lái)調整顏色平衡。圖6所示為包含有一個(gè)升壓轉換器的RGB LED驅動(dòng)器。 圖6 RGB LED背光驅動(dòng)器 RGB背光驅動(dòng)器配有一個(gè)用戶(hù)可編程的校準存儲器，用來(lái)存放各個(gè)LED顏色的溫度曲線(xiàn)，并以16攝氏度為增量從-40攝氏度到+120攝氏度。另外，在靠近LED處安裝了一個(gè)溫度傳感器，這樣驅動(dòng)器便可在寬闊的溫度范圍內自動(dòng)維持白平衡，而芯片內12位模擬/數字轉換器的第二個(gè)輸入可用于外部光電二極管，以監測環(huán)境的亮度級。此外，主微控制器可通過(guò)I2C/SPI接口去訪(fǎng)問(wèn)驅動(dòng)器的控制寄存器以強制LED的光強度。 一個(gè)高效的升壓轉換器，可以接受2.9V到5.5V的寬范圍輸入電壓范圍，并產(chǎn)生一個(gè)由5V到20V并以每1V為增量的可編程輸出電壓。最后，一個(gè)自適應模式可通過(guò)監測LED驅動(dòng)器輸出和將升壓電壓降至最低來(lái)達到節能效果。 優(yōu)化音頻功率 音頻子系統也可能是功率消耗的主角，尤其是對于主要用于聽(tīng)音樂(lè )和通話(huà)的設備。音頻子系統的功率可以通過(guò)以下技術(shù)得到優(yōu)化： 揚聲器驅動(dòng)器配置 在所有的音頻子系統中，最消耗功率的元件即是揚聲器驅動(dòng)器，這是因為揚聲器的工作模式實(shí)際上是機械作業(yè)。因此，在音頻區塊中最有可能進(jìn)行節能的便是這一部分。圖7所示為一般的驅動(dòng)器配置。 圖7 揚聲器驅動(dòng)器配置 最簡(jiǎn)單的方法是采用直流阻隔電容器進(jìn)行單端式驅動(dòng)。一個(gè)由單電源供電的簡(jiǎn)單音頻驅動(dòng)器的輸出既有交流部分又有直流部分，因此需加插一個(gè)電容器以隔離直流部分。由于直流部分未能對產(chǎn)生聲音作出任何貢獻，那么直流部分的能量就被浪費掉，但是這部分能量還是計算在音頻功耗內。在橋接配置中，兩側的揚聲器均由相同的直流部分和反極性的交流部分驅動(dòng)，因此消除了直流偏移。通過(guò)揚聲器的電壓即等于兩個(gè)輸出之差值。而在采用電荷泵的單端驅動(dòng)中，一個(gè)內部接地以下電源可容許輸出在接地的中間。圖8 所示為所有三種配置下的波形。 圖8 揚聲器驅動(dòng)器波形 由一個(gè)以單電源供電的簡(jiǎn)單驅動(dòng)器所產(chǎn)生的輸出將位于直流偏移電壓的中間。如果這一偏移未被隔離，它將通過(guò)揚聲器線(xiàn)圈或耳機線(xiàn)圈，這些線(xiàn)圈的電阻一般在8到32Ω，從而會(huì )造成完全短路�？墒�，采用直流阻隔電容器既增加了成本和尺寸，又降低了低音區的品質(zhì)。 通過(guò)產(chǎn)生兩個(gè)相位相差180度（反轉）的輸出信號，橋接配置可用硅片來(lái)取代電容器。盡管這兩個(gè)信號都擁有相對于接地的直流偏移，但是揚聲器沒(méi)有接地，因此，不會(huì )產(chǎn)生多余的電流。這一技術(shù)的缺點(diǎn)在于它無(wú)法與標準的三導體立體聲耳機接口兼容，因為當中的接地被兩個(gè)揚聲器分享。 電荷泵方法將一個(gè)電容器放回到電路中，但是由于工作頻率高，該電容將小于直流阻隔電容。電荷泵容許驅動(dòng)低于接地的輸出，因此輸出信號是完全的交流信號。這種配置的優(yōu)點(diǎn)在于可以與標準的耳機兼容，這是由于兩個(gè)揚聲器都由同一個(gè)接地驅動(dòng)。 Intellisense 輸出設備識別 一個(gè)多功能便攜式設備可支持多種耳機，如用于聽(tīng)音樂(lè )的立體聲耳機或為接聽(tīng)電話(huà)而設的麥克風(fēng)單聲道耳機。Intellisense技術(shù)允許其中任意一種耳機插入到同一插孔中，并自動(dòng)配置設備的驅動(dòng)器。這樣，在設備采用單聲道時(shí)或者有一個(gè)輸出短路到接地時(shí)，系統便會(huì )自動(dòng)識別出來(lái)，避免有多余的功率消耗在驅動(dòng)立體聲的信號上。。 當一個(gè)采用Intellisense技術(shù)的耳機放大器檢測到有一個(gè)耳機連接時(shí)，它將對左側和右側輸出施加一個(gè)較小的電壓，并且感應通過(guò)負載所產(chǎn)生的電流。假如連接到放大器的負載大于9Ω，那放大器將采取全功率模式驅動(dòng)負載。如果負載小于3Ω，那放大器則采取短路到接地，并關(guān)閉其驅動(dòng)器。當右聲道被短路時(shí)，那Intellisense便會(huì )將放大器設于單聲道模式。為了提供額外的保護，當左聲道都被短路時(shí)，那兩個(gè)放大器都會(huì )同時(shí)被關(guān)閉。Intellisense的開(kāi)關(guān)功能可以通過(guò)其I2C接口來(lái)激活或關(guān)閉。 集成移動(dòng)設備架構 圖9所示由天線(xiàn)到顯示器之間的所有芯片之典型功能。連接無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的接口一般由一個(gè)無(wú)線(xiàn)電收發(fā)器芯片和一個(gè)數字基帶芯片組成，但亦可包括一個(gè)獨立的RF功率放大器�；旧�，這通常是由技術(shù)提供商給出的即用設計。當中，基帶芯片可能包含一個(gè)標準的RISC處理器以控制接口，但它也會(huì )有一個(gè)高階接口以連接片上系統（SoC），而該片上系統其實(shí)就是移動(dòng)設備的主控制器。 圖9 網(wǎng)絡(luò )和多媒體芯片功能分塊圖 目前，通信網(wǎng)絡(luò )并未定義多媒體數據的編碼。無(wú)論是2.75G、3G或4G網(wǎng)絡(luò )，數據均僅僅只是比特流。雖然諸如MPEG-4和WMV9之類(lèi)的標準已描述了如何對音頻和視頻比特流進(jìn)行編碼，而即使MPEG-4或WMV9的編解碼可以通過(guò)軟件來(lái)實(shí)現，但這要求相當的計算帶寬，從而需要一個(gè)快速和耗能大的CPU。因此，最好還是在硬件中執行編解碼或者作為高效嵌入式處理器的硬件輔助，這樣視頻功率消耗就可以得到大大的降低。一般視頻編解碼器都是SoC內CPU總線(xiàn)上的一個(gè)外圍。 CPU將來(lái)自編解碼器的數據加載到平板顯示控制器中，該控制器將數據存儲在幀緩沖器中，并可實(shí)時(shí)供SoC的外圍使用。顯示控制器也會(huì )讀取幀緩沖器的數據到視頻總線(xiàn)，而該總線(xiàn)可直接與平板顯示驅動(dòng)器連接或通過(guò)如移動(dòng)像素鏈路MPL之類(lèi)的串行像素接口來(lái)連接。MPL是一個(gè)標準化的接口，它可使用在平板顯示控制器、數碼相機芯片和其他需要低開(kāi)銷(xiāo)和高帶寬接口的設備。MPL可將28條信號線(xiàn)降低到僅3到4條，這一點(diǎn)非常重要，因為該接口一般置于連接主板和顯示模塊的扁平電纜上，而減少導線(xiàn)數量便可縮窄纜線(xiàn)的寬度和降低電磁干擾。 顯示控制器可以是一個(gè)快速的微控制器、專(zhuān)用集成電路，又或是標準和專(zhuān)利技術(shù)電路的混合體。SoC和顯示控制器之間的高階接口采用RGB像素格式，而顯示控制器將像素加載到幀緩沖器中，并可能通過(guò)補償算法就環(huán)境光線(xiàn)和顯示的非線(xiàn)性度等作出補償。 有些如蜂窩電話(huà)接口、Wi-Fi接口和藍牙接口等的子系統可能包含有嵌入式微處理器，如此一來(lái)，本來(lái)由這些處理器處理的工作量現在就有機會(huì )卸載到SoC上�？墒�，在這方面的設計有一個(gè)重大的障礙。這就是供應商不愿意支持一個(gè)較低階的接口，原因是當客戶(hù)的設計與供應商的參考設計有一些出入時(shí)，那供應商便有可能需要公開(kāi)這些原本受專(zhuān)利保護的算法，又或需要向客戶(hù)交待有關(guān)器件操作上含糊不清和其他奇怪的問(wèn)題。不過(guò)，隨著(zhù)市場(chǎng)的競爭越來(lái)越激烈，高度優(yōu)化的設計必定會(huì )出現，因為業(yè)界會(huì )對這些控制器的集成反映出強烈的要求，務(wù)求使他們的產(chǎn)品能節省更多的功率。 結語(yǔ) 移動(dòng)設備正進(jìn)入一個(gè)新的紀元，聲音和文本已不再是通信的唯一形式。多媒體服務(wù)和支持這些服務(wù)的基礎設施已開(kāi)始涌現，在可見(jiàn)的未來(lái)，我們可以預期到，如同CPU的速度和存儲器的容量發(fā)展，在帶寬上也會(huì )出現重大的突破。 盡管類(lèi)似于開(kāi)關(guān)式穩壓器和RF功率放大器，音頻放大器之類(lèi)的產(chǎn)品在近幾十年中已經(jīng)出現，但是技術(shù)發(fā)展從來(lái)沒(méi)有停止過(guò)。隨著(zhù)硅片的成本持續下降，原本非常昂貴的功率優(yōu)化技術(shù)現已變得相對便宜。由于直接影響到電池的使用壽命和用戶(hù)的體驗，節能的價(jià)值也同樣越來(lái)越高。毫無(wú)疑問(wèn)，在用戶(hù)的體驗越來(lái)越受到重視的同時(shí)，帶給用戶(hù)優(yōu)質(zhì)感受的高增值功能將成為推動(dòng)現行及新一代硅技術(shù)的原動(dòng)力。 |
