一種基于國產化移動通信芯片的便攜設備設計

劉小雨

（廣州海格通信集團股份有限公司，廣東 廣州 510000）

一種基于國產化移動通信芯片的便攜設備設計

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-處理器技術日新月異，使得智能通信終端處理速度更快，運行性能更穩定，通信質量更高，服務性能更好。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生的原因和分類；設計了一種便攜式移動通信芯片，給出了設計總體方案，并對其核心處理模塊進行了設計。

便攜式；國產化移動通信芯片；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、高保真立體功放聲效、交互式網絡游戲等功能方面得益于通信芯片的不斷改進和發展。國產通信芯片大唐公司一款芯片以L1860C處理器架構為基礎，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處理內核，還有一個獨立低功耗省電內核。這款芯片充分整合了視頻加速器、內核接口控制器、Wi-Fi，3G，4G，radio等功能，支持最新高級圖形標準，在聯網模式上支持5模LTE。它很好地服務智能手機、平板電腦、數據終端、移動式計算機等終端，使得智能通信終端處理速度更快，運行性能更穩定，通信質量更高，服務性能更好。

移動通信芯片遵循精細、小巧、高度集成、功能強大的設計理念，因而移動便攜式通信設備面積、功耗、性能的參數成為優化設計的主題。本文重點在于對移動通信芯片的功能模塊進行優化設計，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數字電路的功耗

移動通信芯片的數字電路部分功耗主要包括漏電功耗、短路功耗、動態功耗以及靜態功耗，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斷，產生閥值電流；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，這部分主要是數字電路中采用大量的門電路，這些門電路在導通、關斷瞬間，由于延時效應及導通/關斷速度限制，會產生瞬間輸入輸出同時導通的短路損耗，這就是短路功耗。

Pdynamaic功耗主要產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。動態損耗是芯片功耗最大的一部分。動態損耗計算公式為：

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

CL表示某一節點電路的等效電容；V2DD表示數字電路工作電壓的平方，低功耗電路工作電壓一般設計為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靜態損耗主要產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時，亞閥值電流和反向飽和電流產生，一般比較小，通俗地稱之為電路接地損耗。基于電路板工作穩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，即靜態損耗。在電路功能設計過程中，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，視頻電路設計的好壞也決定了便攜式涌動通信設備功能的好壞。由于Radio電路包括接收和發送部分，需要很大的功耗，因此在這部分設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，需要設定一定的閥值電壓和電流，確保晶體管工作的穩定性。在選在電子元器件時，盡量選擇低功耗晶體管。

2　硬件電路的設計

2.1總體設計方案

便攜移動通信設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）采用國產化的核心處理器；（2）基于核心處理器的CP平臺，實現了多個手段的軟無化；（3）各主要通信、導航手段均盡可能選用芯片化設計方案，利于綜合便攜設備小型化、低功耗設計；（4）運用動態功耗管理技術設計電源管理模塊，可對CPU、各通信導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核心處理模塊設計

核心處理模塊含核心處理器、內存芯片、存儲器芯片和TF卡，如圖2所示。核心處理器采用國產高性能處理器芯片L1860C，內存芯片采用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；支持高度優化的圖像處理器（ISP），負責圖像預處理、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，實現無線通信中數據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，實現片內總線和外部存儲器之間的數據傳輸，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）、脈寬調制器（PWM），CSI-2 MIPI輸入接口、視頻輸入/輸出接口。

內存通過數據地址總線、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保護電路模塊設計

便攜式通信設備安全性很重要，尤其是電源部分。因此，本文設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，實現了芯片電源電路的保護功能。

2.4電壓控制器設計

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性能，需要根據DC/DC變換器的動態調整進行匹配，實現工藝設計的要求，如圖4所示。

圖4　 通信芯片測試電路匹配設計

3　其他技術的探討

移動通信芯片的設計理念遵循精細、小巧、高度集成、功能強大的原則，進而移動便攜式通信設備面積、功耗、性能的參數成為優化設計的理念。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，以及運用軟件技術，將會更好地改善通信芯片的運行速度和處理能力。

總之，器件和技術在不斷更新，便攜式移動通信設備將會隨著技術的不斷升級，獲得更加優良的特性。

4　結語

通過研究，本文介紹了移動便攜式通信設備功耗的特點、分類及其產生的原因；在目前移動通信芯片采用技術基礎上，給出了便攜式移動通信芯片的總體設計方案和核心處理模塊設計，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計，在測試中，運行穩定，具備一定的應用推廣價值。

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

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

［3］徐雨濛，陳哲.幾種鎖相環芯片在移動通信及其他環境中的作用［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。