手持式觸摸屏系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)

　　摘要：觸摸屏在移動(dòng)設(shè)備中越來(lái)越受歡迎。但觸摸屏消耗的平均電流可能很大，從而會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)電池的電量快速耗盡。本文將主要探討以下內(nèi)容：功耗的基礎(chǔ)知識(shí)、影響功耗的不同因素以及為需要提供強(qiáng)大性能同時(shí)節(jié)省電池使用壽命的器件設(shè)計(jì)低功耗觸摸屏系統(tǒng)。

　　低功耗是任何觸摸屏設(shè)備的一大關(guān)鍵設(shè)計(jì)考慮因素。電源效率高不僅可幫助延長(zhǎng)電池的使用壽命，還能滿(mǎn)足手持設(shè)備對(duì)于更長(zhǎng)工作時(shí)間的主要設(shè)計(jì)需求。此外，電源效率設(shè)計(jì)還有助于減小電池尺寸，因此也能減小最終系統(tǒng)的尺寸和重量，這些都是非常重要的技術(shù)規(guī)格。此外，電源效率高還能減輕散熱管理所需的開(kāi)銷(xiāo)，因?yàn)橥ㄟ^(guò)優(yōu)化功耗，可以減少源頭熱量的生成。

　　在本文中，我們將探討如何通過(guò)對(duì)觸摸屏控制器工作狀態(tài)的正確管理延長(zhǎng)手持設(shè)備的電池使用壽命。舉例來(lái)說(shuō)，便攜式設(shè)備根據(jù)支持的應(yīng)用不同，其輸入情況可能大相徑庭，有的需要高強(qiáng)度頻繁輸入，有的則可能比較空閑。通過(guò)充分利用設(shè)備使用知識(shí)，觸摸屏的功耗能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的管理。

　　大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)內(nèi)部都包含幾個(gè)子系統(tǒng)。例如，智能手機(jī)的子系統(tǒng)就包含觸摸屏界面、無(wú)線模塊等。系統(tǒng)的總功耗是系統(tǒng)中所有這些不同模塊的功耗之和。這些模塊大多數(shù)都有獨(dú)立的控制器，能夠與主機(jī)處理器進(jìn)行通信。因此，每個(gè)模塊就系統(tǒng)設(shè)計(jì)而言或多或少都是獨(dú)立的實(shí)體，并且必須進(jìn)行優(yōu)化，從而最大限度地減少系統(tǒng)的整體功耗。

　　功耗的基礎(chǔ)知識(shí)

　　CMOS電路的功耗主要包括兩大組成部分：動(dòng)態(tài)功耗和靜態(tài)功耗。

　　動(dòng)態(tài)功耗：動(dòng)態(tài)功耗是從邏輯高到邏輯低，或從邏輯低到邏輯高之間輸出切換產(chǎn)生的功耗。下面我們以基本的CMOS逆變器為例來(lái)加以說(shuō)明。

　　在圖1的基本CMOS逆變器中，負(fù)載電容充電時(shí)PMOS晶體管會(huì)消耗功率，而當(dāng)負(fù)載電容放電時(shí)NMOS會(huì)消耗功率?！　?/p>

 

　　在CMOS設(shè)計(jì)中，電路通過(guò)對(duì)負(fù)載電容進(jìn)行充電和放電而消耗功率。我們?cè)O(shè)想一下觸摸屏控制器的內(nèi)部架構(gòu)，負(fù)載電容實(shí)際就是下一級(jí)門(mén)電容或總線電容。

　　當(dāng)負(fù)載電容充電時(shí)，PMOS晶體管消耗功率。當(dāng)負(fù)載電容放電時(shí)，NMOS消耗功率。CMOS逆變器中NMOS晶體管的瞬時(shí)功耗計(jì)算如方程式1所示：
　　P_{PMOS i} = i_L(V_dd - V_o) – (1)
　　我們替換方程式1中i_L的值，得到方程式2：
　　P_PMOSi= C_L (V_dd - V_o) dV_o/dt -- (2)
　　PMOS從低到高的輸出切換總功耗計(jì)算如下，也就是PMOS的功耗給負(fù)載電容充電，其電壓為0V到V_dd，見(jiàn)方程式3：
　　PMOS功耗，P_PMOS = ½ C_LV_dd² -- (3)
　　同樣，從高到低的切換情況下，NMOS的總功耗計(jì)算如方程式4所示：
　　NMOS功耗, P_NMOS = ½ C_LV_dd² -- (4)
　　一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中，功耗計(jì)算如方程式5所示：
　　P_Total = P_NMOS + P_PMOS = C_LV_dd² -- (5)
　　現(xiàn)在如果我們定義開(kāi)關(guān)頻率(f)的平均功耗，那么計(jì)算如方程式6所示：
　　P = fC_LV_dd² -- (6)

　　靜態(tài)功耗：靜態(tài)功耗涉及幾種不同的因素，包括亞閾值條件和隧道電流等。如果晶體管針對(duì)小型化芯片設(shè)計(jì)而縮小，那么隧道電流就會(huì)成為主要因素，因?yàn)槠涑叽绲臏p小會(huì)導(dǎo)致氧化物厚度的減小。

　　我們可控制動(dòng)態(tài)或靜態(tài)功耗或者同時(shí)控制二者，從而實(shí)現(xiàn)管理整體功耗的目的。就手持移動(dòng)設(shè)備而言，系統(tǒng)包含不同的組件模塊，如LCD驅(qū)動(dòng)器、觸摸屏控制器、電源管理、通信鏈接等。在觸摸屏手機(jī)中，觸摸屏控制器如果電源效率設(shè)計(jì)不佳，就可能成為耗電大戶(hù)，從而縮短設(shè)備的電池使用壽命。因此，我們必須選擇適當(dāng)?shù)挠|摸屏控制器，并進(jìn)行合理配置，確保實(shí)現(xiàn)最低功耗。

　　觸摸屏控制器

　　下面我們來(lái)觀察一下基本的微控制器。它主要包括兩種電源模式：工作和休眠。然而觸摸屏控制器在同一芯片上包含了許多集成電子元件，如用于觸摸屏電容測(cè)量的模擬前端等，因此能通過(guò)更多電源模式來(lái)更加精細(xì)地處理功耗問(wèn)題，這有助于在控制器的幫助下進(jìn)一步降低功耗。觸摸屏控制器常見(jiàn)的電源模式包括：

　　1.工作模式：在這種電源模式下，CPU以及芯片上的所有其它資源都開(kāi)始工作運(yùn)行。靜態(tài)功耗和動(dòng)態(tài)功耗在此模式下都會(huì)對(duì)總功耗產(chǎn)生影響。這也是業(yè)界大多數(shù)控制器和處理器最常用的模式。然而，在觸摸屏控制器中，CPU能根據(jù)系統(tǒng)要求在工作模式下關(guān)閉不同的時(shí)鐘和資源。這種模式的功耗高于所有其它電源模式。因此，設(shè)計(jì)人員在定義運(yùn)行器件的電池使用壽命時(shí)就要特別關(guān)注工作模式的功耗。