一种基于国产化移动通信芯片的便携设备设计

刘小雨

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510000）

一种基于国产化移动通信芯片的便携设备设计

刘小雨

（广州海格通信集团股份有限公司，广东 广州 510000）

移动通信芯片近几年的核心-处理器技术日新月异，使得智能通信终端处理速度更快，运行性能更稳定，通信质量更高，服务性能更好。文章主要介绍了移动通信芯片的特点，分析了移动通信芯片功耗产生的原因和分类；设计了一种便携式移动通信芯片，给出了设计总体方案，并对其核心处理模块进行了设计。

便携式；国产化移动通信芯片；核心模块；低功耗

目前，智能通信终端在视频播放、3D视觉呈现、高保真立体功放声效、交互式网络游戏等功能方面得益于通信芯片的不断改进和发展。国产通信芯片大唐公司一款芯片以L1860C处理器架构为基础，该款芯片处理器采用28nm的HPM工艺，其GPU采用双核MailT628，有4个1.5GHz处理内核，还有一个独立低功耗省电内核。这款芯片充分整合了视频加速器、内核接口控制器、Wi-Fi，3G，4G，radio等功能，支持最新高级图形标准，在联网模式上支持5模LTE。它很好地服务智能手机、平板电脑、数据终端、移动式计算机等终端，使得智能通信终端处理速度更快，运行性能更稳定，通信质量更高，服务性能更好。

移动通信芯片遵循精细、小巧、高度集成、功能强大的设计理念，因而移动便携式通信设备面积、功耗、性能的参数成为优化设计的主题。本文重点在于对移动通信芯片的功能模块进行优化设计，采用兼顾性能和功耗的big.LITTLE模式，进一步提升通信芯片的性能，降低功耗。

1　移动通信芯片功耗分析

1.1数字电路的功耗

移动通信芯片的数字电路部分功耗主要包括漏电功耗、短路功耗、动态功耗以及静态功耗，如公式（1）所示。

PTotal=PLeakage+Pshortcircuit+Pdynamaic+Pstatic

（1）（2）

公式（1）中，PLeakage为漏电功耗，在深亚微米CMOS电路中，由于手机待机模式下的晶体管关断，产生阀值电流；同时，CMOS等电路沟道泄漏电流增加，即反向电流增加，从而造成漏电功耗的增加。

Pshortcircuit为短路功耗，这部分主要是数字电路中采用大量的门电路，这些门电路在导通、关断瞬间，由于延时效应及导通/关断速度限制，会产生瞬间输入输出同时导通的短路损耗，这就是短路功耗。

Pdynamaic功耗主要产生于通信芯片中的电容负载电路，用于容性电路中诸多电容的充放电而造成的一种损耗。动态损耗是芯片功耗最大的一部分。动态损耗计算公式为：

公式（2）中，a是容性电路中，CMOS电路通断率，也成开关系数。这是CMOS门电路设计功能特性决定的，根据门电路种类的不同以及输入门限、输出门限数量有很大关系。

CL表示某一节点电路的等效电容；V2DD表示数字电路工作电压的平方，低功耗电路工作电压一般设计为5V，3.3V。

f 为电路时钟频率，频率越高，电路特性越好，功耗也越大。

Pstatic静态损耗主要产生于通信芯片放大电路的反向饱和电流引起的损耗。CMOS电路中泄漏电流的存在，造成放大电路趋于饱和工作状态时，亚阀值电流和反向饱和电流产生，一般比较小，通俗地称之为电路接地损耗。基于电路板工作稳定性以及工作接地的需要，允许电路芯片存在一定的接低损耗，即静态损耗。在电路功能设计过程中，这是不可避免的。

1.2模拟电路和射频电路功耗

射频电路功耗是手机功耗的主要来源，视频电路设计的好坏也决定了便携式涌动通信设备功能的好坏。由于Radio电路包括接收和发送部分，需要很大的功耗，因此在这部分设计时要充分考虑模块的功耗指标，而且硬件模块电路由于受限于晶体管特性工作电压、电流的要求，晶体管一般需要工作在线性区，需要设定一定的阀值电压和电流，确保晶体管工作的稳定性。在选在电子元器件时，尽量选择低功耗晶体管。

2　硬件电路的设计

2.1总体设计方案

便携移动通信设备的硬件主要由核心处理模块、通信基带模块、WiFi/蓝牙模块、外设硬件、综合射频模块、安全保密模块、电源模块、对外接口、附件硬件等组成。其硬件方案原理如图1所示。

该硬件方案具有以下特点：

（1）采用国产化的核心处理器；（2）基于核心处理器的CP平台，实现了多个手段的软无化；（3）各主要通信、导航手段均尽可能选用芯片化设计方案，利于综合便携设备小型化、低功耗设计；（4）运用动态功耗管理技术设计电源管理模块，可对CPU、各通信导航通道及各外围电路进行精细化的电源管理。

图1　硬件方案原理

2.2核心处理模块设计

核心处理模块含核心处理器、内存芯片、存储器芯片和TF卡，如图2所示。核心处理器采用国产高性能处理器芯片L1860C，内存芯片采用LPDDR3芯片EDFA232A1MA，存储器芯片采用Sandisk iNAND存储芯片，TF卡采用Sandisk存储卡。

图2　核心处理模块功能

处理器芯片由AP应用处理器、CP通信处理器、控制器、接口等组成。其中AP集成4核CORTEX-A7，支持对称并行处理，最高主频达到1.5GHz，采用兼顾性能和功耗的big.LITTLE 模式；AP包含可编程的高性能图形处理单元（GPU），最高主频达到624MHz；支持高度优化的图像处理器（ISP），负责图像预处理、图像压缩编码、图像显示等。

CP通信处理器主要包括矢量DSP、射频接口控制器、无线宽带通信功能模块以及一个负责高层协议栈处理的CORTEX-A7核。射频接口控制器采用DigRF v4.0（v1.12）接口，实现无线通信中数据在基带与射频之间的传输。

控制器包括：LCD控制器、视频控制器、外部存储控制器、SIM卡接口控制器等。LCD控制器支持MIPI接口和RGB接口，支持的最大分辨率达2560×1600。外部存储控制器支持双通道，实现片内总线和外部存储器之间的数据传输，最大可支持4GByte存储空间。

接口包括：MMC接口、SDIO接口、USB2.0 OTG接口、USB HSIC接口、I2C总线接口、SPI接口、I2S接口、异步串口（UART）、基带定时器和通用定时器、看门狗、可配置16位主机端口接口（HPI）、可编程中断/事件生成模式的通用输入/输出 （GPIO）、脉宽调制器（PWM），CSI-2 MIPI输入接口、视频输入/输出接口。

内存通过数据地址总线、差分时钟与核心处理器进行连接；iNAND存储器最大容量为64G，内置TF卡座，支持64G以上扩展；核心处理器的工作温度为：-20～60℃；内存的工作温度为：-30～85℃；iNAND存储器的工作温度为：-25～65℃。

2.3保护电路模块设计

便携式通信设备安全性很重要，尤其是电源部分。因此，本文设计了一种端口保护电路，如图3所示。

图3　保护电路

图3中，主电路芯片为一个比例放大器芯片，其输出电压为

（3）

电源电路工作电压电路设置上限电压V上限为3.7V，输入VFB端电压 达到上限电压1.25V以后，保护电路输出端电流EN1限制在2A，晶体管BQ3关断。此时，输入端的升压电路不在升压，负载电路电源停止供电，并进入保持阶段，实现了芯片电源电路的保护功能。

2.4电压控制器设计

通信芯片采用高性能、低功耗的DC/DC电压变换器，为芯片提供多种电压。通信芯片测试电路的性能是一种动态性能，需要根据DC/DC变换器的动态调整进行匹配，实现工艺设计的要求，如图4所示。

图4　 通信芯片测试电路匹配设计

3　其他技术的探讨

移动通信芯片的设计理念遵循精细、小巧、高度集成、功能强大的原则，进而移动便携式通信设备面积、功耗、性能的参数成为优化设计的理念。采用高性能的晶体管比如E-PHEMT（增强型准晶高电子迁移率晶体管），将会进一步改善移动通信功放特性，采用SOI CMOS工艺工作在深亚微米绝缘及低功耗状态下，芯片功耗将会降低30%左右，当然采用新型电路布线工艺，采用多核芯片处理器以及新的处理器架构，以及运用软件技术，将会更好地改善通信芯片的运行速度和处理能力。

总之，器件和技术在不断更新，便携式移动通信设备将会随着技术的不断升级，获得更加优良的特性。

4　结语

通过研究，本文介绍了移动便携式通信设备功耗的特点、分类及其产生的原因；在目前移动通信芯片采用技术基础上，给出了便携式移动通信芯片的总体设计方案和核心处理模块设计，并对电源保护电路、电压变换电路等辅助电路进行了介绍。这款低功耗便携式移动通信芯片的设计，在测试中，运行稳定，具备一定的应用推广价值。

［1］佘华，邹雪城.移动通信芯片的低功耗设计研究与实现［J］.计算机与数学工程，2005（9）：151-153.

［2］刘伟达，董林玺.可供便携式设备充电的移动电源设计［J］.电子器件，2014（4）：795-798.

［3］徐雨濛，陈哲.几种锁相环芯片在移动通信及其他环境中的作用［J］.电子世界，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

刘小雨（1980-），男，黑龙江鹤岗，硕士，中级工程师；研究方向：无线宽带通信研究。