[讨论] 优化移动多媒体传输链的功耗

咖啡不加糖 2008-10-22 10:31 楼主

在任何移动多媒体设备中，观看时间是一个极其重要的性能指标，因为它不仅代表着电池存储能量的多少，而且还代表能量转换的效率。能量转换效率如此重要，原因在于电池充满电后多媒体设备可以提供多久的观看时间会直接影响用户体验。苹果的iPhone的成功，与它出色的效率有很大的关系：8小时的通话时间、6小时的上网浏览和长达250小时的待机模式。

要达到类似上述的效率，移动多媒体设备工程师需要应用多种方法实现最佳的节能开发方案。这也包括NS公司的PowerWise技术，它通过自适应电压调整满足高功率有源子系统的不断改变的时钟周期要求。现在该技术正被用来根据时钟速度的活跃程度调节CPU和DSP核心的电源电压。此外，它还可应用在高功率的外设核心上，例如图形或视频处理器上。

高性能的多媒体设备通常都有一个高带宽接口，用来连接几百万像素的摄像头和LCD显示器。这些高带宽的串行接口均需要经过低电磁干扰(EMI)的优化处理。此外，由于RGB LED模块有更高的效率和调节背光的白平衡能力，背光照明将由RGB LED模块来驱动。

设备中的扬声器驱动应该采用桥路配置和电荷泵,这样可以避免使用昂贵的隔直电容器，它不但会消耗电路板空间，而且还会削弱低音部份的音频表现。另外，一个带有Intellisense?誖的音频驱动器会侦测浪费电源的短路和出现在耳机插座处的近似短路，该驱动器能够判断插入的是立体声耳机还是扬声器/麦克风头戴耳机，然后自动作出适当的接口配置。

对于一些主要依靠客户体验来实现价值的产品而言，需要仔细考虑出现在功率预算中的每一个项目。以前，一个10mW的功耗可能并不会引起关注，因为在设备中消耗几百毫瓦功率的组件多的是，但时至今日，一个10mW的功耗也是非常明显的。现今，系统中的每一块芯片都有其高度优化的方案，所以设计人员必须深入了解所有的芯片及其优化方案，才能设计出拥有高质量用户体验的产品，进而获得市场认可。

低功率显示器架构

显示器是高功耗产品的代表。其功耗不仅包括显示器面板本身，还包括视频接口、视频控制器和背光照明。
· 移动像素链路(MPL)接口：高带宽的视频接口，特点是接线数量较少，并且电磁干扰小。
· 自刷新模式：如收听音乐或通话时，不需要运行高分辨率的视频，此时该功能可以把视频接口和视频控制器关闭，并使用一个片上的帧缓存器支持时钟、乐曲选择清单、通信录和即时短信应用所需的较低分辨率图像显示。
· RGB LED 背光驱动器：能够在整个亮度范围内在较低的功率下实现更佳的白平衡效果。它可以根据环境中温度和光线的变化自动调节亮度和白平衡。

MPL接口

MPL可为位映射显示器提供一个低引脚数、低EMI的高效率接口。MPL之所以能实现这些效果，全靠以下的一些特点：
· 较少的信号线路：它用一个串行接口取代了并行视频数据总线，将一般多至28条的信号线路削减至3条或4条。这不但简化了互连的线路(一般是指介于主电路板和平板显示器模块之间的扁平接线或柔性电路)，而且亦减少了发射电磁干扰的天线数量。
· 较低的开关电流：电流模式信号可降低开关电流。与TTL和LVCMOS的电平比较，它能够将电流减少一个数量级以上。
· 较低的电压摆幅：信号只有20mV的电压摆幅，远远优于1.8V的TTL和LVCMOS。

图1所示为一个连接到平板显示驱动器的MPL接口。图中的MPL提供一个高带宽的视频接口，同时一个SPI接口则提供一个访问显示器驱动寄存器的接口。当没有视频数据传输时，MPL接口可以被关闭以进一步减少功耗。

LM2512A MPL串行器在一个并行视频总线的视频控制器和MPL之间提供了一个接口，LM2512A 能够将24位的RGB视频和多至三个控制信号串行化，并可把前者抖动成18位以便在MPL上传输。此外，三个片上式的256×8查找表能为每个颜色提供个别的色彩校正功能，并且可通过SPI接口为LM2512A的查找表和控制寄存器编程。

至于FPD95120平板显示驱动器则集成有一个MPL接收器。对于没有MPL接口的显示驱动器来说，可使用一个MPL解串器来重新产生出18位的并行视频数据。

自刷新模式

FPD95120中包含一个片上式的230Kbit局部显示存储器，可以在没有视频输入时刷新显示器，以便允许关闭MPL接口。当用户不收看视频、也不上网时，该功能便会启动。但是，即使在这时也有一些功能需要显示文字，例如即时短信或乐曲清单。当MPL接口处于关闭状态时，可以通过SPI接口访问FPD95120的显示存储器。FPD95120可支持一个240×320 像素的局部图像显示，分辨率为每像素3位，或者是一个320×480 像素的图像显示，分辨率为每像素1位。

RGB LED背光驱动器

一个具备视频放映质量的显示器需要配合极纯净的白色光源，这个白色光源能够在不同的亮度设定、温度和多个厂商平板显示器中维持高纯度的白色光。传统的白光LED方案只能提供一个由白光LED供应商决定的固定色彩平衡，而一个RGB LED 光源则是把红、绿和蓝光LED的输出合成为白光，这样便可通过驱动器的脉冲宽度调制来调节每个颜色，从而调节合成光的色彩平衡度。RGB LED背光驱动器如图2所示。

LP5520的RGB背光驱动器设有一个用户可编程的校正存储器，它能够在-40°C～ 120°C的范围内，以每16°C为一增量级来保持每种LED颜色的光度对温度的曲线特性。通过把一个LM20温度传感器安装在LED的附近，便能够使LP5520在一个宽阔的温度范围内自动维持白平衡。此外，片上的12位模/数转换器的第二个输入可用作一个外部的光电二极管，以用来监视周围环境的光度。一个主机微控制器可通过其I2C/SPI 接口去访问LP5520的控制寄存器，从而控制LED的光线强度。

LP5520的高效升压转换器能够接受一个2.9V～5.5V的宽阔输入电压范围，并且产生出一个5V～20V的输出电压，而增量级被编程成1V。一个自适应模式可通过监视LED驱动器的输出，将升压降低至有助于节能的最低有效值。

优化音频功率

音频子系统也是高能耗产品的代表。一些主要用来听音乐或通话的设备更是如此。音频子系统的功率可通过以下的技术来优化：
· 扬声器驱动器配置。桥路和电荷泵驱动器可以消除大容量的隔直电容器并改善音频的低音效果。
· Intellisense?誖输出设备辨认。自动分辨出单声道或立体声耳机，并且在单声道模式下可把多余的声道关闭。

扬声器驱动器配置

在音频子系统中最耗电的组件可说是扬声器驱动器，原因是它真正执行着机械性的工作。因此，如果想有效地节能，则应由此着手。图3所示为几个普遍采用的驱动器配置。

在图3中最简单的是采用隔直流电容器的单端式驱动配置。其中的音频驱动器由一个单一电源供电，其输出会同时带有交流和直流的成份，因此必需加插一个电容器来阻隔直流成份。在这种情况下，直流成份会浪费一定的功率，因为它根本没有为产生声音作出任何的贡献，但其开销仍会计算在音频功率的预算中。在桥路配置中，扬声器的两边同时由一个相同的直流成份驱动，只是把交流成份的极性倒转，因此消除了直流失调，而流经扬声器的电压是两个输入之间的差别。至于配有电荷泵的单端式驱动，一个内部负电压可容许输出围绕着接地进行中央化。图4显示出三种配置的波形。

由一个用单一电源供电的简单驱动器所产生的输出将会处于直流失调电压的中央。假如这个失调电压没有被阻隔，则它会流经扬声器或耳筒的线圈，它在8～32Ω时基本就可形成短路。但是，一个隔直流电容器不但会增加成本和占用电路板空间，而且还会有损低音的效果。

桥路配置主要是用硅来取代电容器，方法是产生两个有180°相位差的输出信号(反相)。虽然两个信号均有一个相对于接地的直流失调电压，但扬声器并没有连接到接地，因此没有过多的电流流动。然而，该技术的缺点是它不能兼容标准的三接头立体声耳机接口，其中的两个扬声器会分享一个共用接地。

电荷泵配置把一个电容器放回到电路，不过由于其运行频率高，该电容器可以比隔直流电容器更小。电荷泵可把输出驱动到接地以下，因此输出信号是纯AC信号。这个配置的优点是它可兼容标准的耳机，因为两个扬声器都是通过同一个接地驱动。

LM4982耳筒放大器采用电荷泵配置来支持两个扬声器的输出。至于LM49100 Boomer?誖音频子系统则拥有供单声道扬声器和立体声耳筒用的独立输出。其中扬声器输出采用桥路配置，而耳筒输出则采用电荷泵配置。两个芯片均可通过一个来自主微控制器的I2C接口来控制音量。LM4982的架构较为简单，它是一个介于两个输入和两个输出之间的双放大器，而LM49100则拥有三个音频输入，并且可针对不同的配置切换或者混合输入声道以驱动单一的扬声器声道和两条耳机声道。

Intellisense输出设备辨认

一个多用途的便携设备可以让不同种类的耳机插入，它们可以是供收听音乐用的立体声耳机，或是用于通话并设有麦克风的单声道头戴耳机。Intellisense技术可容许任何一种耳机插入同一个插口，而且能够为设备自动调节驱动器配置，这样当设备是单声道或正把一个输出短路到接地时，便无需再浪费多余的功率去驱动立体声信号。

当LM4982耳筒放大器侦测到有耳筒插入时，它便会同时在左和右的输出上施加一个小电压，并且会经负载感受到一个最终电流。假如连接到放大器的负载超过9Ω，则放大器会以全功率去驱动它，而当小于3Ω时，LM4982便会假设一个短路到接地并将其驱动器关闭。当右声道被短路时，Intellisense 便会把LM4982设定成单声道模式。此外，当左声道被短路到接地时，两个放大器会同时被关闭来保护系统。Intellisense的功能可以经由来自I2C接口的命令进行启动和关闭。

消费者对于长时间通话和观看的需求促使设计人员为系统的每一个部分寻找能效最优化的半导体器件。当设计者成功地把系统的主要功耗器件的功耗降低后，次要功耗器件的作用就凸现出来了，因为它们对通话和观看时间的影响已逐渐明显。一个成功产品的设计人员必须懂得所有可减低功耗的方法和工具。美国国家半导体为主要的功率消耗组件提供高度优化的方案，使设计人员能够把它们应用到最新的移动多媒体设计中。

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沙发 heyuanbing

点赞 2008-10-28 09:54

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