优化移动多媒体传输链的功耗 解决方案, 多媒体, 消费者, 产品, 电池

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消费者对于移动多媒体的需求是毫无疑问的，满足这些需求的技术已经开发成功，对于设计人员而言，剩下的问题就是如何利用这些技术，并将成功的产品带入市场。本文将讨论如何减省移动多媒体设备内关键元件的功耗，此外也会对现今移动多媒体设备设计人员所面对的工程挑战作出概括的分析，并就目前及新涌现的硅技术，提出可克服这些工程挑战的解决方案。
移动设备的功率管理
　　在网络的移动部分存在一个特别的功率消耗，因为这些移动设备一般由电池供电。大的电池增加了移动设备的尺寸和重量，但小电池却缩短了每次充电后的使用时间，无论哪种情况都不利于用户使用。此外，电池电源还存在着一些隐藏成本，这便是充电和蓄电的效率并不理想。所有的充电电池都会自放电，情况最为严重的要数NiCd电池和NiMH电池，在充电完成后的首个24小时之内，这两种电池即会损失自身电量的10％。所幸，采用新的电池控制技术，不仅可以使电池输出更多的能量，而且也可提高效率。
　　在大部分无线设备中，发送器的功率放大器是主要的耗电元件。提升功率效率的一种趋势是将蜂窝通信基础设施转移到新技术上，其中包括射频远端模块。该方法是将移动设备与基站无线电收发机的距离拉近，从而降低发送器的功率。在基站高密度覆盖的城区或郊区，移动设备通常会要求基站提供一个功率水平，而这个水平远在发送器所能提供的最高功率水平以下。这样，移动设备便可以通过降低RF功率放大器的电源电压来优化发送器的功率。
可优化电池电源的新策略
　　当我们寻找节省功率的机会时，我们必须首先从电源管理芯片本身开始。电源管理的新策略对这种新趋势极其有利，其中包括：
PowerWise 自适应电压调节
　　图1所示为一个使用在移动电话和其他便携设备中的PowerWise接口（PWI）兼容能量管理单元（EMU）。其中，两个高效并具有自适应电压调节（AVS）功能的开关式DC/DC降压转换器为CPU和DSP核心提供了大电流电源轨，而五个低降压（LDO）线性稳压器则为存储器和外围设等设备提供辅助功率输出。

图1  具有自适应电压调节功能的多输出调节器
　　AVS技术是通过从一个或多个硬件性能监测器（HPM）的反馈来实现的。由于每个HPM都集成在与负载一起的芯片上（一般是高功率的CPU芯片或DSP核心），因此，它们是在相同的硅工艺变化下进行制造，并具有相同的设备工作温度变化。这样就可以将电源电压调整到尽量接近设备实际可承受限值的程度。
　　一个先进的电源控制器（APC）利用来自各个HPM的输入，以确定是否需要对其电源电压进行优化。APC通过双线PowerWise接口向电源内的一个从动控制器发出电压调节指令。电压经调整后，硅片的性能将持续受到各个HPM的监视，如果出现进一步优化的需要，则APC会发出一个新的电压调整指令。电源必须在收到APC发出的指令后及时地调整其电压，这样AVS控制系统的反馈环路才能保持稳定。
　　在最高频率下的负载电源电压规格可保证系统能在最高工作温度和最差的硅性能下正常运行。可是，实际工作温度一般低于最大工作温度，而实际硅片的处理能力也往往会优于最不利情况。因此，在实际工作条件下，就存在于最高频率下把电压降低的空间，AVS技术即可以利用这一空间达到近乎完美的工作功率。
　　LDO的辅助输出同样也可以通过PWI进行编程，尽管它们没有参与到AVS反馈环路中。它们的输出电压可以独立地被编程，也可以独立地被开启或关闭。两个LDO的已调节输出有一个可选择的数据保持电压，在这种模式下，于休眠模式期间（一种节能模式）的功率可降到指定的最低电压，仅足够用于保存易失存储器中的内容，与此同时，CPU芯片或DSP核心的电压将降到零。由于避免了启动过程和无需再从只读存储器或闪速存储器中重新加载丢失的数据，因此可让核心快速从休眠模式下苏醒。
升降压和多模式电压调节器
　　升降压转换器可在一个宽阔的输入电压范围内提供稳定的输出。升降压转换器利用两个N通道MOSFET和两个P通道MOSFET来实现在降压转换器模式（当VIN > VOUT时）与升压转换器模式（当VIN <VOUT时）之间的无缝切换（输出没有出现减弱）。这样，与标准的转换器相比，升降压转换器可在更低的电压下工作，从而可以从电池中提取更多的电能及加强效率。
　　如图2所示，通过在中高强度电流（>100 mA）的脉宽调制（PWM）和低强度电流的脉频调制（PFM）之间的切换，多模式转换器可以为那些大部分时间处于停机模式的次级系统带来更高的效率。通过减少切换循环的次数，还减少了在低负载情况下的切换损耗。

图2  结合式升降压/多模式调节器工作区域
RF功率放大器的节能
　　毫无疑问，近年蜂窝通信基本设施的改变加大了节能的可行性。在此之前，蜂窝网络仍完全由基站收发信台（BTS）组成，如图3左所示。各个BTS的位置均经过计划以确保高覆盖率并尽量避免空位和死区。当一个移动设备靠近BTS时，移动设备会通过降低发射能量来协议一个较低功率的模式，并同时保持一个可接受的信号强度。

图3  射频远端模块提供更大的信号强度
　　在新落成的基站中，无线电收发信机可放置在离基站较远的地方（几百米或几千米的距离），如图3右所示。由于设有多个射频远端模块，因此增加了覆盖率和减少了发信机和接收机之间的距离。基于距离的缩减 ，移动设备可更频密地协议降低发射器的功率，从而增加了移动设备的运行时间。
　　将以前由单个无线电基站覆盖的一个蜂窝划分成许多更小的蜂窝区（可称之为“小蜂窝”），这样就可以重复使用分配给蜂窝运营商的频率。其他技术，诸如定向天线和智能天线（将相控阵技术用于波束导向），它们能够支持空分多路复用通信，对于分布在相同蜂窝或小蜂窝中的用户，他们可使用相同的频率。所有的这些技术都能在给定的分配频率下，增加可用的频率以支持更多的用户，以及支持原本需要动用多个时隙（或带宽的其他单位）的多媒体服务，这些服务就有如几个话音连接。
RF功率放大器的专用稳压器
　　在传统设计中，蜂窝式电话的RF功率放大器（PA）是直接由电池驱动的，如图4所示。可是，如果PA在低于全功率的情况下运行，则可以通过降低PA电源电压来获得可观的节能效果。因为PA的功耗一般等于蜂窝式电话总功耗的一半，因此，这种节能方法可大大降低功耗。然而，随着功率水平和温度上升，电源电压必须上升到得以维持PA的线性程度。

图4  RF功率放大器电源
　　一个模拟输入VCON控制输出电压。VCON信号可由RF功率检测器芯片驱动，这为PA电压的自动调节（对RF功率水平作出响应）提供了一个完整的解决方案。而另一个方法是，由主机微控制器的可编程模拟输出驱动VCON输入，这是由于该微控制器负责与无线电基站协商功率水平，因此它对功率水平很了解。
低功率显示器的架构
　　显示器是能量的主要消耗者，不仅仅是显示器面板本身，还包括视频接口、视频控制器和背光。
移动像素链路（MPL）接口
　　MPL可提供低引脚数量、低EMI和高效率的位图显示，而MPL之所以达到这些功能全靠以下特点：
　　更少的信号线—使用一个串行接口来替代并行视频数据总线，一般可将28条信号线减少到仅3到4条。这既简化了互接布线（一般是在主电路板和平板显示模块之间的扁平电缆或柔性线路），又减少了产生EMI的天线数量。*
　　降低开关电流 – 与TTL和LVCMOS水平相比，电流模式信号降低了开关电流一个量级。*
　　* 减少电压摆幅 – 信号的电压摆幅仅20 mV， 而TTL 和 LVCMOS则为1.8V。
　　图5所示为一个MPL接口的架构图，用于连接平板显示驱动器。图中的MPL负责提供高带宽的视频接口，而SPI接口则用于访问显示驱动器的寄存器。当视频数据尚未传递时，MPL接口可以被关闭以进一步降低功耗。

图5  移动像素链路接口
　　MPL串行器可以为来自视频控制器的并行视频总线和MPL接口之间提供一个接口。视频总线一般为24位的RGB视频(它会被抖动成18位以在MPL上传送)并拥有多至三个控制信号（HSYNC、VSYNC等）。三个芯片内的256 ×8查找表为每种颜色提供了独立的颜色修正。至于SPI接口则用于为查找表和控制寄存器编程。
　　平板显示驱动器可以采用集成MPL接收器。对于缺少MPL接口的显示驱动器，可采用MPL解串器来重新产生出并行视频总线。
自动更新模式
　　当没有视频输入时，芯片内的局部显示存储器可自行更新显示器，并允许MPL接口关闭。这种功能可在用户不观看视频或浏览网页时，系统仍可显示文本、即时短信或MP3音轨列表。该显示存储器可在MPL处于关闭时经由一个SPI接口来访问。这种自动更新功能可以每像素3位的速度去更新一个240× 320像素的低分辨率图像显示或以每像素1位的速度来更新320 × 720的显示区。
RGB LED背光驱动器
　　一个具备视频质量的图像显示会要求一个高纯度的白光源，而无论显示器的供应商是哪一个，又或在什么样的亮度级和温度，这个光源都必须维持纯白。传统的白光LED解决方案仅提供一个由白光LED厂商提供的固定颜色补偿。相反地，一个RGBLED光源通过将红光、绿光和蓝光LED的输出结合而混合成白色光。基于这种合成原理，RGBLED光源可通过对各个主色驱动器的脉宽调制来调整颜色平衡。图6所示为包含有一个升压转换器的RGB LED驱动器。

图6  RGB LED背光驱动器
　　RGB背光驱动器配有一个用户可编程的校准存储器，用来存放各个LED颜色的温度曲线，并以16摄氏度为增量从-40摄氏度到+120摄氏度。另外，在靠近LED处安装了一个温度传感器，这样驱动器便可在宽阔的温度范围内自动维持白平衡，而芯片内12位模拟/数字转换器的第二个输入可用于外部光电二极管，以监测环境的亮度级。此外，主微控制器可通过I2C/SPI接口去访问驱动器的控制寄存器以强制LED的光强度。
　　一个高效的升压转换器，可以接受2.9V到5.5V的宽范围输入电压范围，并产生一个由5V到20V并以每1V为增量的可编程输出电压。最后，一个自适应模式可通过监测LED驱动器输出和将升压电压降至最低来达到节能效果。
优化音频功率
　　音频子系统也可能是功率消耗的主角，尤其是对于主要用于听音乐和通话的设备。音频子系统的功率可以通过以下技术得到优化：
扬声器驱动器配置
　　在所有的音频子系统中，最消耗功率的元件即是扬声器驱动器，这是因为扬声器的工作模式实际上是机械作业。因此，在音频区块中最有可能进行节能的便是这一部分。图7所示为一般的驱动器配置。

图7  扬声器驱动器配置
　　最简单的方法是采用直流阻隔电容器进行单端式驱动。一个由单电源供电的简单音频驱动器的输出既有交流部分又有直流部分，因此需加插一个电容器以隔离直流部分。由于直流部分未能对产生声音作出任何贡献，那么直流部分的能量就被浪费掉，但是这部分能量还是计算在音频功耗内。在桥接配置中，两侧的扬声器均由相同的直流部分和反极性的交流部分驱动，因此消除了直流偏移。通过扬声器的电压即等于两个输出之差值。而在采用电荷泵的单端驱动中，一个内部接地以下电源可容许输出在接地的中间。图8 所示为所有三种配置下的波形。

图8  扬声器驱动器波形
　　由一个以单电源供电的简单驱动器所产生的输出将位于直流偏移电压的中间。如果这一偏移未被隔离，它将通过扬声器线圈或耳机线圈，这些线圈的电阻一般在8到32Ω，从而会造成完全短路。可是，采用直流阻隔电容器既增加了成本和尺寸，又降低了低音区的品质。
　　通过产生两个相位相差180度（反转）的输出信号，桥接配置可用硅片来取代电容器。尽管这两个信号都拥有相对于接地的直流偏移，但是扬声器没有接地，因此，不会产生多余的电流。这一技术的缺点在于它无法与标准的三导体立体声耳机接口兼容，因为当中的接地被两个扬声器分享。
　　电荷泵方法将一个电容器放回到电路中，但是由于工作频率高，该电容将小于直流阻隔电容。电荷泵容许驱动低于接地的输出，因此输出信号是完全的交流信号。这种配置的优点在于可以与标准的耳机兼容，这是由于两个扬声器都由同一个接地驱动。
Intellisense 输出设备识别
　　一个多功能便携式设备可支持多种耳机，如用于听音乐的立体声耳机或为接听电话而设的麦克风单声道耳机。Intellisense技术允许其中任意一种耳机插入到同一插孔中，并自动配置设备的驱动器。这样，在设备采用单声道时或者有一个输出短路到接地时，系统便会自动识别出来，避免有多余的功率消耗在驱动立体声的信号上。。
　　当一个采用Intellisense技术的耳机放大器检测到有一个耳机连接时，它将对左侧和右侧输出施加一个较小的电压，并且感应通过负载所产生的电流。假如连接到放大器的负载大于9Ω，那放大器将采取全功率模式驱动负载。如果负载小于3Ω，那放大器则采取短路到接地，并关闭其驱动器。当右声道被短路时，那Intellisense便会将放大器设于单声道模式。为了提供额外的保护，当左声道都被短路时，那两个放大器都会同时被关闭。Intellisense的开关功能可以通过其I2C接口来激活或关闭。
集成移动设备架构
　　图9所示由天线到显示器之间的所有芯片之典型功能。连接无线网络的接口一般由一个无线电收发器芯片和一个数字基带芯片组成，但亦可包括一个独立的RF功率放大器。基本上，这通常是由技术提供商给出的即用设计。当中，基带芯片可能包含一个标准的RISC处理器以控制接口，但它也会有一个高阶接口以连接片上系统（SoC），而该片上系统其实就是移动设备的主控制器。

图9  网络和多媒体芯片功能分块图
　　目前，通信网络并未定义多媒体数据的编码。无论是2.75G、3G或4G网络，数据均仅仅只是比特流。虽然诸如MPEG-4和WMV9之类的标准已描述了如何对音频和视频比特流进行编码，而即使MPEG-4或WMV9的编解码可以通过软件来实现，但这要求相当的计算带宽，从而需要一个快速和耗能大的CPU。因此，最好还是在硬件中执行编解码或者作为高效嵌入式处理器的硬件辅助，这样视频功率消耗就可以得到大大的降低。一般视频编解码器都是SoC内CPU总线上的一个外围。
　　CPU将来自编解码器的数据加载到平板显示控制器中，该控制器将数据存储在帧缓冲器中，并可实时供SoC的外围使用。显示控制器也会读取帧缓冲器的数据到视频总线，而该总线可直接与平板显示驱动器连接或通过如移动像素链路MPL之类的串行像素接口来连接。MPL是一个标准化的接口，它可使用在平板显示控制器、数码相机芯片和其他需要低开销和高带宽接口的设备。MPL可将28条信号线降低到仅3到4条，这一点非常重要，因为该接口一般置于连接主板和显示模块的扁平电缆上，而减少导线数量便可缩窄缆线的宽度和降低电磁干扰。
　　显示控制器可以是一个快速的微控制器、专用集成电路，又或是标准和专利技术电路的混合体。SoC和显示控制器之间的高阶接口采用RGB像素格式，而显示控制器将像素加载到帧缓冲器中，并可能通过补偿算法就环境光线和显示的非线性度等作出补偿。
　　有些如蜂窝电话接口、Wi-Fi接口和蓝牙接口等的子系统可能包含有嵌入式微处理器，如此一来，本来由这些处理器处理的工作量现在就有机会卸载到SoC上。可是，在这方面的设计有一个重大的障碍。这就是供应商不愿意支持一个较低阶的接口，原因是当客户的设计与供应商的参考设计有一些出入时，那供应商便有可能需要公开这些原本受专利保护的算法，又或需要向客户交待有关器件操作上含糊不清和其他奇怪的问题。不过，随着市场的竞争越来越激烈，高度优化的设计必定会出现，因为业界会对这些控制器的集成反映出强烈的要求，务求使他们的产品能节省更多的功率。
结语
　　移动设备正进入一个新的纪元，声音和文本已不再是通信的唯一形式。多媒体服务和支持这些服务的基础设施已开始涌现，在可见的未来，我们可以预期到，如同CPU的速度和存储器的容量发展，在带宽上也会出现重大的突破。
　　尽管类似于开关式稳压器和RF功率放大器，音频放大器之类的产品在近几十年中已经出现，但是技术发展从来没有停止过。随着硅片的成本持续下降，原本非常昂贵的功率优化技术现已变得相对便宜。由于直接影响到电池的使用寿命和用户的体验，节能的价值也同样越来越高。毫无疑问，在用户的体验越来越受到重视的同时，带给用户优质感受的高增值功能将成为推动现行及新一代硅技术的原动力。