手持式触摸屏系统的低功耗设计

　　摘要：触摸屏在移动设备中越来越受欢迎。但触摸屏消耗的平均电流可能很大，从而会导致系统电池的电量快速耗尽。本文将主要探讨以下内容：功耗的基础知识、影响功耗的不同因素以及为需要提供强大性能同时节省电池使用寿命的器件设计低功耗触摸屏系统。

　　低功耗是任何触摸屏设备的一大关键设计考虑因素。电源效率高不仅可帮助延长电池的使用寿命，还能满足手持设备对于更长工作时间的主要设计需求。此外，电源效率设计还有助于减小电池尺寸，因此也能减小最终系统的尺寸和重量，这些都是非常重要的技术规格。此外，电源效率高还能减轻散热管理所需的开销，因为通过优化功耗，可以减少源头热量的生成。

　　在本文中，我们将探讨如何通过对触摸屏控制器工作状态的正确管理延长手持设备的电池使用寿命。举例来说，便携式设备根据支持的应用不同，其输入情况可能大相径庭，有的需要高强度频繁输入，有的则可能比较空闲。通过充分利用设备使用知识，触摸屏的功耗能够实现更高效的管理。

　　大多数嵌入式系统内部都包含几个子系统。例如，智能手机的子系统就包含触摸屏界面、无线模块等。系统的总功耗是系统中所有这些不同模块的功耗之和。这些模块大多数都有独立的控制器，能够与主机处理器进行通信。因此，每个模块就系统设计而言或多或少都是独立的实体，并且必须进行优化，从而最大限度地减少系统的整体功耗。

　　功耗的基础知识

　　CMOS电路的功耗主要包括两大组成部分：动态功耗和静态功耗。

　　动态功耗：动态功耗是从逻辑高到逻辑低，或从逻辑低到逻辑高之间输出切换产生的功耗。下面我们以基本的CMOS逆变器为例来加以说明。

　　在图1的基本CMOS逆变器中，负载电容充电时PMOS晶体管会消耗功率，而当负载电容放电时NMOS会消耗功率。　　

 

　　在CMOS设计中，电路通过对负载电容进行充电和放电而消耗功率。我们设想一下触摸屏控制器的内部架构，负载电容实际就是下一级门电容或总线电容。

　　当负载电容充电时，PMOS晶体管消耗功率。当负载电容放电时，NMOS消耗功率。CMOS逆变器中NMOS晶体管的瞬时功耗计算如方程式1所示：
　　P_{PMOS i} = i_L(V_dd - V_o) – (1)
　　我们替换方程式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从低到高的输出切换总功耗计算如下，也就是PMOS的功耗给负载电容充电，其电压为0V到V_dd，见方程式3：
　　PMOS功耗，P_PMOS = ½ C_LV_dd² -- (3)
　　同样，从高到低的切换情况下，NMOS的总功耗计算如方程式4所示：
　　NMOS功耗, P_NMOS = ½ C_LV_dd² -- (4)
　　一个开关周期中，功耗计算如方程式5所示：
　　P_Total = P_NMOS + P_PMOS = C_LV_dd² -- (5)
　　现在如果我们定义开关频率(f)的平均功耗，那么计算如方程式6所示：
　　P = fC_LV_dd² -- (6)

　　静态功耗：静态功耗涉及几种不同的因素，包括亚阈值条件和隧道电流等。如果晶体管针对小型化芯片设计而缩小，那么隧道电流就会成为主要因素，因为其尺寸的减小会导致氧化物厚度的减小。

　　我们可控制动态或静态功耗或者同时控制二者，从而实现管理整体功耗的目的。就手持移动设备而言，系统包含不同的组件模块，如LCD驱动器、触摸屏控制器、电源管理、通信链接等。在触摸屏手机中，触摸屏控制器如果电源效率设计不佳，就可能成为耗电大户，从而缩短设备的电池使用寿命。因此，我们必须选择适当的触摸屏控制器，并进行合理配置，确保实现最低功耗。

　　触摸屏控制器

　　下面我们来观察一下基本的微控制器。它主要包括两种电源模式：工作和休眠。然而触摸屏控制器在同一芯片上包含了许多集成电子元件，如用于触摸屏电容测量的模拟前端等，因此能通过更多电源模式来更加精细地处理功耗问题，这有助于在控制器的帮助下进一步降低功耗。触摸屏控制器常见的电源模式包括：

　　1.工作模式：在这种电源模式下，CPU以及芯片上的所有其它资源都开始工作运行。静态功耗和动态功耗在此模式下都会对总功耗产生影响。这也是业界大多数控制器和处理器最常用的模式。然而，在触摸屏控制器中，CPU能根据系统要求在工作模式下关闭不同的时钟和资源。这种模式的功耗高于所有其它电源模式。因此，设计人员在定义运行器件的电池使用寿命时就要特别关注工作模式的功耗。