浅析智能手机硬件低功耗设计

丁德政

摘 要：随着通信技术的不断发展，智能手机逐渐成为人们日常生活工作的必备工具，智能手机除了人们进行日常工作交流、传输信息之外，还丰富了人们的休闲娱乐业余生活。随着手机应用的不断更新，智能手机的硬件功耗不断成为人们的关注点，也逐渐成为生产商的新型发展方向。本文通过对智能手机的硬件结构进行叙述，进一步分析手机功耗较大的原因，最后论述降低手机功耗的设计方法，希望可以为智能手机生产商提供技术理论指导。

关键词：智能手机；硬件系统；低功耗

中图分类号： TN07 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2017）06-150-2

引言

智能手机在市场上的首次出现，就受到了广大消费者的青睐和认可。智能手机在操作、系统，以及软件的多样化应用上丰富了人们的业余生活。在早间、晚间的地铁车站，随处可见排队等车的上班族拿着自己心爱的手机搜索自己想要知道的信息。智能手机的应用不断更新丰富使得手机的功率消耗成为用户体验过程中的首要问题，需要通过技术创新实现改变调整。

1 简述智能手机硬件结构

现今市场上大众化的智能手机产品在手机的硬件结构上存在着一定的共同点。关于智能手机硬件结构系统中损耗最大的部分主要是指手机的主处理器部分、无线Modern部分、传声器部分、扬声器部分、LCD部分、以及背光灯部分等。主处理器部分主要负责控制智能手机的整个系统，一般助力器皆采用开放型的操作运行系统，通过数字基带控制芯片进行语音信号的转变，实现A/D或者反向的语音转换，可以对编解码、无线猫进行时间顺序上的控制。具有先进内核技术的CPU芯片可以帮助主处理器在实现长时视频功能的同时减少内核的运行压力，实现语音、摄像、解码工作的有机结合。大多数的智能手机硬件结构中，无线猫加上外围电路，就可以完成一部手机的制作，语音功能的实现主要依靠ABB和负责语音视频的解码器共同完成。

2 智能手机产生功耗的原因

2.1 CPU系统产生功耗

智能手机上市后，用户的第一体会就是新型的智能手机应用数量繁多、趣味性得到较大提升，但是，智能手机的续航能力却大大不如从前的普通商务手机。许多手机生产商家在进行产品预售宣传时经常会提到本公司新产品的高续航、低消耗的问题，吸引顾客前来购买。事实上，不管商家所言是否属实，CPU芯片的确不断朝着低功耗的方向前进者。然而，CPU的功耗仍然占据整部手机的最大功耗比例。智能手机在制作过程中涉及单核双核的问题，特别是现今安卓系统手机已经出现了四核，甚至八核的智能手机，旨在提高手机运行的流畅性。但是，通过数据计算显示，核数越大，相应功耗也成倍扩大。经过电路功耗的动态计算公式显示，CPU的功耗大小与电路中供电部分电压的平方数成正比例关系，和电路中工作的频率也成正比例关系。

2.2 背光灯工作产生功耗

市场上大部分的智能手机皆使用液晶显示电容屏，背光灯在手机使用的能耗中占据较大的比例。例如，制作一部屏幕为3.5英寸的手机，所需背光灯的数量为六颗，只有这样做才能充分保证屏幕亮度的均匀性。一颗背光灯的工作电压是3.1伏特，通过串联的连接方式将六颗LED灯连接起来所需电压为18.6伏特。从电流的数据统计方面看，一颗背光灯的正常工作所需电流为20毫安，六颗背光灯若同时开到最亮状态，则需要耗费372兆瓦的电量。试想一下，人们将手机亮度开到最亮状态，然后进行手机视频、手游应用的使用，每段使用的时间不少于一个小时，那么，对于手机的功耗压力则是不可估量的。在日常的手机使用过程中，人们为了省电，通常会将手机的屏幕亮度降到最低来延长手机的续航，这个方法是用户的无奈之举，可以治标但是不能治本，硬件损耗技术不断革新发展才是減少此类问题的关键。

2.3 射频部件系统以及其他部件的功耗

射频部件系统也是智能手机高损耗的一个主要因素。智能手机的射频部件中放大器是导致功率消耗巨大的重要部件，主要是因为放大器的电路设计有缺陷，电阻的选用和接入不合理，导致放大器的功率较大，进而消耗较多的电能。在以后的研究发展中，应该重点考量射频系统的优化问题。其次，系统本身的功耗能力设计也决定了手机整体的功耗能力，用户在使用手机应用的过程中，对于一项功能使用的时间上具有不确定性，所以生厂商应该提前思考手机使用的各种可能性，优化系统损耗能力。再者，现今大多用户喜欢使用无线设备接入互联网，此类连接方式的功耗在一定程度上高于手机流量上网的功耗，且无线连接的耗能大小与信号强弱有着一定的联系。

3 关于降低功耗的设计

3.1 解决CPU系统的电压问题

由上文的第一原因分析中可知，CPU是影响智能手机电能功耗的最大因素，解决CPU系统的电压问题和频率问题是重中之重。在集成电路，特别是数字电路方面，要注意动态消耗的数据计算，相反，半导体组成电路中的静态功率消耗非常之小，完全可以忽略。在计算动态消耗电能的计算公式中，涉及几个参数，分别是：功能芯片的动态总量功率消耗，半导体芯片负载的电容量，芯片所需要的电压，以及芯片工作过程中的频率。根据计算公式显示，集成电路中功耗的数据和电路工作中开关的频率系数呈现线性关系，与芯片工作所需电压呈现平方关系。由此可以得出，芯片工作所需要的电压越高，运行的频率就越快，最后CPU工作耗费的功效耗能就越高。所以，生产商对于既定的CPU产品设计上，应该在合理范围内对工作电压和工作频率进行控制，尽量缩小数值。

3.2 控制DPM系统的运行

DPM是对智能手机的主系统在运行期间进行电压或者时间上的动态控制，通过即时的动态数据管理达到减少能耗的效果。动态控制DPM主要通过软件控制实现管理，动态控制的过程系统的整体效率息息相关。首先，对智能手机中的工作模式进行定义和分类管理。主CPU运行系统应该根据工作模式类别和强度对手机工作进行合理分类，主要分为日常的工作模式，手机空闲工作模式，手机的睡眠待机模式，以及手机处于关闭状态的模式设置。在四种常有手机工作模式中，调节主CPU 的电压、工作频率，以及手机其他部件电源灯光的智能启动和只能关闭，在设计过程中体现智能手机的最大智能特色，将智能技术和电能损耗有机结合起来。例如，通过固定手势触摸屏幕唤醒手机部分功能，其余非工作时间此部分功能处于睡眠状态，可以极大程度上减少手机电池的损耗。

3.3 接口电路设计和LED灯低损耗设计

在智能手机的接口电路设计过程中，生产商除了考虑产品的性能新颖之外，应该更加注意芯片的能源损耗问题。在上拉电阻或者下拉电阻部件的选择应用上，应该注意未处于工作状态的引脚不可以悬空处置，通过增加上拉电阻进行电平输出的提高能力，来加强芯片的抗干扰能力。在一系列的驱动工作实施中，合理把握电阻的使用度，确保信号的平稳完整和电源内的低能耗性。合理控制LED灯的电流控制问题，可以通过改变回路中的电阻阻值控制电流，结合人眼的生理机能调节电流信号，控制损耗。

3.4 电源供给电路

由于智能机外设非常多，需要多种电源（1.3V、1.8V、2.8V和3.3V电压等），和不同的电路分开供电，因此需要使用多个电压变化单元。DC―DC电路的特点是效率高、升降压灵活，缺点是纹波噪声干扰较大。因此，在设计中，对于电源纹波噪音要求不严的情况，使用DC-DC电压转换器件，这样可以有效地节约能量，降低智能手机的功耗。

4 结论

综上所述，智能手机要想在快速的更新变化中脱颖而出，必须加强CPU、DPM、LED背光灯以及接口电路的技术创新改造。通过控制机器的工作电压、通过电流、组合电阻以及电源供给电路实现手机的低功率消耗，不断分析总结从前的经验教训，重视用户体验，将用户的使用舒适度放在第一位，迎合我国的可持续发展战略，为我国通信技术的发展做贡献。

参 考 文 献

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