劉小雨

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

一種基于國產(chǎn)化移動通信芯片的便攜設(shè)備設(shè)計

劉小雨

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

移動通信芯片近幾年的核心-處理器技術(shù)日新月異，使得智能通信終端處理速度更快，運行性能更穩(wěn)定，通信質(zhì)量更高，服務(wù)性能更好。文章主要介紹了移動通信芯片的特點，分析了移動通信芯片功耗產(chǎn)生的原因和分類；設(shè)計了一種便攜式移動通信芯片，給出了設(shè)計總體方案，并對其核心處理模塊進行了設(shè)計。

便攜式；國產(chǎn)化移動通信芯片；核心模塊；低功耗

目前，智能通信終端在視頻播放、3D視覺呈現(xiàn)、高保真立體功放聲效、交互式網(wǎng)絡(luò)游戲等功能方面得益于通信芯片的不斷改進和發(fā)展。國產(chǎn)通信芯片大唐公司一款芯片以L1860C處理器架構(gòu)為基礎(chǔ)，該款芯片處理器采用28nm的HPM工藝，其GPU采用雙核MailT628，有4個1.5GHz處理內(nèi)核，還有一個獨立低功耗省電內(nèi)核。這款芯片充分整合了視頻加速器、內(nèi)核接口控制器、Wi-Fi，3G，4G，radio等功能，支持最新高級圖形標準，在聯(lián)網(wǎng)模式上支持5模LTE。它很好地服務(wù)智能手機、平板電腦、數(shù)據(jù)終端、移動式計算機等終端，使得智能通信終端處理速度更快，運行性能更穩(wěn)定，通信質(zhì)量更高，服務(wù)性能更好。

移動通信芯片遵循精細、小巧、高度集成、功能強大的設(shè)計理念，因而移動便攜式通信設(shè)備面積、功耗、性能的參數(shù)成為優(yōu)化設(shè)計的主題。本文重點在于對移動通信芯片的功能模塊進行優(yōu)化設(shè)計，采用兼顧性能和功耗的big.LITTLE模式，進一步提升通信芯片的性能，降低功耗。

1　移動通信芯片功耗分析

1.1數(shù)字電路的功耗

移動通信芯片的數(shù)字電路部分功耗主要包括漏電功耗、短路功耗、動態(tài)功耗以及靜態(tài)功耗，如公式（1）所示。

PTotal=PLeakage+Pshortcircuit+Pdynamaic+Pstatic

（1）（2）

公式（1）中，PLeakage為漏電功耗，在深亞微米CMOS電路中，由于手機待機模式下的晶體管關(guān)斷，產(chǎn)生閥值電流；同時，CMOS等電路溝道泄漏電流增加，即反向電流增加，從而造成漏電功耗的增加。

Pshortcircuit為短路功耗，這部分主要是數(shù)字電路中采用大量的門電路，這些門電路在導(dǎo)通、關(guān)斷瞬間，由于延時效應(yīng)及導(dǎo)通/關(guān)斷速度限制，會產(chǎn)生瞬間輸入輸出同時導(dǎo)通的短路損耗，這就是短路功耗。

Pdynamaic功耗主要產(chǎn)生于通信芯片中的電容負載電路，用于容性電路中諸多電容的充放電而造成的一種損耗。動態(tài)損耗是芯片功耗最大的一部分。動態(tài)損耗計算公式為：

公式（2）中，a是容性電路中，CMOS電路通斷率，也成開關(guān)系數(shù)。這是CMOS門電路設(shè)計功能特性決定的，根據(jù)門電路種類的不同以及輸入門限、輸出門限數(shù)量有很大關(guān)系。

CL表示某一節(jié)點電路的等效電容；V2DD表示數(shù)字電路工作電壓的平方，低功耗電路工作電壓一般設(shè)計為5V，3.3V。

f 為電路時鐘頻率，頻率越高，電路特性越好，功耗也越大。

Pstatic靜態(tài)損耗主要產(chǎn)生于通信芯片放大電路的反向飽和電流引起的損耗。CMOS電路中泄漏電流的存在，造成放大電路趨于飽和工作狀態(tài)時，亞閥值電流和反向飽和電流產(chǎn)生，一般比較小，通俗地稱之為電路接地損耗?；陔娐钒骞ぷ鞣€(wěn)定性以及工作接地的需要，允許電路芯片存在一定的接低損耗，即靜態(tài)損耗。在電路功能設(shè)計過程中，這是不可避免的。

1.2模擬電路和射頻電路功耗

射頻電路功耗是手機功耗的主要來源，視頻電路設(shè)計的好壞也決定了便攜式涌動通信設(shè)備功能的好壞。由于Radio電路包括接收和發(fā)送部分，需要很大的功耗，因此在這部分設(shè)計時要充分考慮模塊的功耗指標，而且硬件模塊電路由于受限于晶體管特性工作電壓、電流的要求，晶體管一般需要工作在線性區(qū)，需要設(shè)定一定的閥值電壓和電流，確保晶體管工作的穩(wěn)定性。在選在電子元器件時，盡量選擇低功耗晶體管。

2　硬件電路的設(shè)計

2.1總體設(shè)計方案

便攜移動通信設(shè)備的硬件主要由核心處理模塊、通信基帶模塊、WiFi/藍牙模塊、外設(shè)硬件、綜合射頻模塊、安全保密模塊、電源模塊、對外接口、附件硬件等組成。其硬件方案原理如圖1所示。

該硬件方案具有以下特點：

（1）采用國產(chǎn)化的核心處理器；（2）基于核心處理器的CP平臺，實現(xiàn)了多個手段的軟無化；（3）各主要通信、導(dǎo)航手段均盡可能選用芯片化設(shè)計方案，利于綜合便攜設(shè)備小型化、低功耗設(shè)計；（4）運用動態(tài)功耗管理技術(shù)設(shè)計電源管理模塊，可對CPU、各通信導(dǎo)航通道及各外圍電路進行精細化的電源管理。

圖1　硬件方案原理

2.2核心處理模塊設(shè)計

核心處理模塊含核心處理器、內(nèi)存芯片、存儲器芯片和TF卡，如圖2所示。核心處理器采用國產(chǎn)高性能處理器芯片L1860C，內(nèi)存芯片采用LPDDR3芯片EDFA232A1MA，存儲器芯片采用Sandisk iNAND存儲芯片，TF卡采用Sandisk存儲卡。

圖2　核心處理模塊功能

處理器芯片由AP應(yīng)用處理器、CP通信處理器、控制器、接口等組成。其中AP集成4核CORTEX-A7，支持對稱并行處理，最高主頻達到1.5GHz，采用兼顧性能和功耗的big.LITTLE 模式；AP包含可編程的高性能圖形處理單元（GPU），最高主頻達到624MHz；支持高度優(yōu)化的圖像處理器（ISP），負責圖像預(yù)處理、圖像壓縮編碼、圖像顯示等。

CP通信處理器主要包括矢量DSP、射頻接口控制器、無線寬帶通信功能模塊以及一個負責高層協(xié)議棧處理的CORTEX-A7核。射頻接口控制器采用DigRF v4.0（v1.12）接口，實現(xiàn)無線通信中數(shù)據(jù)在基帶與射頻之間的傳輸。

控制器包括：LCD控制器、視頻控制器、外部存儲控制器、SIM卡接口控制器等。LCD控制器支持MIPI接口和RGB接口，支持的最大分辨率達2560×1600。外部存儲控制器支持雙通道，實現(xiàn)片內(nèi)總線和外部存儲器之間的數(shù)據(jù)傳輸，最大可支持4GByte存儲空間。

接口包括：MMC接口、SDIO接口、USB2.0 OTG接口、USB HSIC接口、I2C總線接口、SPI接口、I2S接口、異步串口（UART）、基帶定時器和通用定時器、看門狗、可配置16位主機端口接口（HPI）、可編程中斷/事件生成模式的通用輸入/輸出 （GPIO）、脈寬調(diào)制器（PWM），CSI-2 MIPI輸入接口、視頻輸入/輸出接口。

內(nèi)存通過數(shù)據(jù)地址總線、差分時鐘與核心處理器進行連接；iNAND存儲器最大容量為64G，內(nèi)置TF卡座，支持64G以上擴展；核心處理器的工作溫度為：-20～60℃；內(nèi)存的工作溫度為：-30～85℃；iNAND存儲器的工作溫度為：-25～65℃。

2.3保護電路模塊設(shè)計

便攜式通信設(shè)備安全性很重要，尤其是電源部分。因此，本文設(shè)計了一種端口保護電路，如圖3所示。

圖3　保護電路

圖3中，主電路芯片為一個比例放大器芯片，其輸出電壓為

（3）

電源電路工作電壓電路設(shè)置上限電壓V上限為3.7V，輸入VFB端電壓 達到上限電壓1.25V以后，保護電路輸出端電流EN1限制在2A，晶體管BQ3關(guān)斷。此時，輸入端的升壓電路不在升壓，負載電路電源停止供電，并進入保持階段，實現(xiàn)了芯片電源電路的保護功能。

2.4電壓控制器設(shè)計

通信芯片采用高性能、低功耗的DC/DC電壓變換器，為芯片提供多種電壓。通信芯片測試電路的性能是一種動態(tài)性能，需要根據(jù)DC/DC變換器的動態(tài)調(diào)整進行匹配，實現(xiàn)工藝設(shè)計的要求，如圖4所示。

圖4　 通信芯片測試電路匹配設(shè)計

3　其他技術(shù)的探討

移動通信芯片的設(shè)計理念遵循精細、小巧、高度集成、功能強大的原則，進而移動便攜式通信設(shè)備面積、功耗、性能的參數(shù)成為優(yōu)化設(shè)計的理念。采用高性能的晶體管比如E-PHEMT（增強型準晶高電子遷移率晶體管），將會進一步改善移動通信功放特性，采用SOI CMOS工藝工作在深亞微米絕緣及低功耗狀態(tài)下，芯片功耗將會降低30%左右，當然采用新型電路布線工藝，采用多核芯片處理器以及新的處理器架構(gòu)，以及運用軟件技術(shù)，將會更好地改善通信芯片的運行速度和處理能力。

總之，器件和技術(shù)在不斷更新，便攜式移動通信設(shè)備將會隨著技術(shù)的不斷升級，獲得更加優(yōu)良的特性。

4　結(jié)語

通過研究，本文介紹了移動便攜式通信設(shè)備功耗的特點、分類及其產(chǎn)生的原因；在目前移動通信芯片采用技術(shù)基礎(chǔ)上，給出了便攜式移動通信芯片的總體設(shè)計方案和核心處理模塊設(shè)計，并對電源保護電路、電壓變換電路等輔助電路進行了介紹。這款低功耗便攜式移動通信芯片的設(shè)計，在測試中，運行穩(wěn)定，具備一定的應(yīng)用推廣價值。

［1］佘華，鄒雪城.移動通信芯片的低功耗設(shè)計研究與實現(xiàn)［J］.計算機與數(shù)學(xué)工程，2005（9）：151-153.

［2］劉偉達，董林璽.可供便攜式設(shè)備充電的移動電源設(shè)計［J］.電子器件，2014（4）：795-798.

［3］徐雨濛，陳哲.幾種鎖相環(huán)芯片在移動通信及其他環(huán)境中的作用［J］.電子世界，2012（9）：79-80.

Portable Device Design Based on Domestic Mobile Communication Chip

Liu Xiaoyu （Guangzhou Haige Communications Group Incorprated Company， Guangzhou 510000， China）

In recent years， the core processor technology is changing with each passing day， which makes the intelligent communication terminal processing faster， more stable performance， higher communication quality and better service performance.This paper mainly introduces the characteristics of mobile communication chip， analyzes the causes and classification of the power consumption of mobile communication chip；A portable mobile communication chip is designed， the overall design scheme is given， and the core processing module is designed.

portable； domestic mobile communication chip； core module； low power consumption

劉小雨（1980-），男，黑龍江鶴崗，碩士，中級工程師；研究方向：無線寬帶通信研究。