手持式觸摸屏系統的低功耗設計

　　摘要：觸摸屏在移動設備中越來越受歡迎。但觸摸屏消耗的平均電流可能很大，從而會導致系統電池的電量快速耗盡。本文將主要探討以下內容：功耗的基礎知識、影響功耗的不同因素以及為需要提供強大性能同時節省電池使用壽命的器件設計低功耗觸摸屏系統。

　　低功耗是任何觸摸屏設備的一大關鍵設計考慮因素。電源效率高不僅可幫助延長電池的使用壽命，還能滿足手持設備對于更長工作時間的主要設計需求。此外，電源效率設計還有助于減小電池尺寸，因此也能減小最終系統的尺寸和重量，這些都是非常重要的技術規格。此外，電源效率高還能減輕散熱管理所需的開銷，因為通過優化功耗，可以減少源頭熱量的生成。

　　在本文中，我們將探討如何通過對觸摸屏控制器工作狀態的正確管理延長手持設備的電池使用壽命。舉例來說，便攜式設備根據支持的應用不同，其輸入情況可能大相徑庭，有的需要高強度頻繁輸入，有的則可能比較空閑。通過充分利用設備使用知識，觸摸屏的功耗能夠實現更高效的管理。

　　大多數嵌入式系統內部都包含幾個子系統。例如，智能手機的子系統就包含觸摸屏界面、無線模塊等。系統的總功耗是系統中所有這些不同模塊的功耗之和。這些模塊大多數都有獨立的控制器，能夠與主機處理器進行通信。因此，每個模塊就系統設計而言或多或少都是獨立的實體，并且必須進行優化，從而最大限度地減少系統的整體功耗。

　　功耗的基礎知識

　　CMOS電路的功耗主要包括兩大組成部分：動態功耗和靜態功耗。

　　動態功耗：動態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生的功耗。下面我們以基本的CMOS逆變器為例來加以說明。

　　在圖1的基本CMOS逆變器中，負載電容充電時PMOS晶體管會消耗功率，而當負載電容放電時NMOS會消耗功率。　　

 

　　在CMOS設計中，電路通過對負載電容進行充電和放電而消耗功率。我們設想一下觸摸屏控制器的內部架構，負載電容實際就是下一級門電容或總線電容。

　　當負載電容充電時，PMOS晶體管消耗功率。當負載電容放電時，NMOS消耗功率。CMOS逆變器中NMOS晶體管的瞬時功耗計算如方程式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算如下，也就是PMOS的功耗給負載電容充電，其電壓為0V到V_dd，見方程式3：
　　PMOS功耗，P_PMOS = ½ C_LV_dd² -- (3)
　　同樣，從高到低的切換情況下，NMOS的總功耗計算如方程式4所示：
　　NMOS功耗, P_NMOS = ½ C_LV_dd² -- (4)
　　一個開關周期中，功耗計算如方程式5所示：
　　P_Total = P_NMOS + P_PMOS = C_LV_dd² -- (5)
　　現在如果我們定義開關頻率(f)的平均功耗，那么計算如方程式6所示：
　　P = fC_LV_dd² -- (6)

　　靜態功耗：靜態功耗涉及幾種不同的因素，包括亞閾值條件和隧道電流等。如果晶體管針對小型化芯片設計而縮小，那么隧道電流就會成為主要因素，因為其尺寸的減小會導致氧化物厚度的減小。

　　我們可控制動態或靜態功耗或者同時控制二者，從而實現管理整體功耗的目的。就手持移動設備而言，系統包含不同的組件模塊，如LCD驅動器、觸摸屏控制器、電源管理、通信鏈接等。在觸摸屏手機中，觸摸屏控制器如果電源效率設計不佳，就可能成為耗電大戶，從而縮短設備的電池使用壽命。因此，我們必須選擇適當的觸摸屏控制器，并進行合理配置，確保實現最低功耗。

　　觸摸屏控制器

　　下面我們來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量的模擬前端等，因此能通過更多電源模式來更加精細地處理功耗問題，這有助于在控制器的幫助下進一步降低功耗。觸摸屏控制器常見的電源模式包括：

　　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始工作運行。靜態功耗和動態功耗在此模式下都會對總功耗產生影響。這也是業界大多數控制器和處理器最常用的模式。然而，在觸摸屏控制器中，CPU能根據系統要求在工作模式下關閉不同的時鐘和資源。這種模式的功耗高于所有其它電源模式。因此，設計人員在定義運行器件的電池使用壽命時就要特別關注工作模式的功耗。