广告

用铁电存储器让穿戴式设备更省电

2020-02-12 09:04:56 Harsha Medu, Vinay Manikkoth 阅读:
研究显示,可穿戴设备应用中的显示屏消耗了大部分电池电力。解决方法之一是直接提高电池容量,但是大容量电池会加大尺寸和重量,对可穿戴设备不合适,尤其是在市场不断追求更小型化的新款产品时更是如此。更具挑战性的是,电池技术的发展跟不上日益增长的系统需求……

在可穿戴设备中,电池使用寿命对于良好的用户体验至关重要。研究显示,可穿戴设备应用中的显示屏消耗了大部分电池电力。解决方法之一是直接提高电池容量,但是大容量电池会加大尺寸和重量,对可穿戴设备不合适,尤其是在市场不断追求更小型化的新款产品时更是如此。更具挑战性的是,电池技术的发展跟不上日益增长的系统需求。因此,最大限度降低显示屏功耗成为可穿戴设备市场的关键设计因素。JCOednc

人类的视觉感知非常精确,推动了制造商在可穿戴设备中使用更高分辨率的显示屏。虽然有多种节能方案可供使用,但任何视觉质量下降都会直接影响设备的整体体验。因此,在为显示屏考虑节能方案时必须谨慎小心。要想提高显示器分辨率就需要提高存储器带宽,因此,为了延长电池使用寿命,降低存储器在待机模式和工作模式下的功耗变得更有实际意义。JCOednc

显示系统架构

显示屏由像素阵列构成。每个像素的驱动值决定显示的颜色。基于RAM的帧缓存保存了显示屏上每个像素的颜色信息。大部分常用的并行显示屏需要周期刷新,从帧缓存读取数据,然后在屏上显示。如果显示屏的分辨率和色彩深度不高,控制器的内部RAM也可以用作帧缓存。JCOednc

随着显示屏尺寸增大,分辨率和色彩深度提高,内部SRAM将无法提供足够的容量或性能。为了避免画面撕裂,也有必要采用双缓存。在这些系统中,通常在外部存储器中实现帧缓存。在刷新周期中,从外部帧缓存读取数据,并连同控制信号输出给显示控制器数据总线。图1所示的是采用外部帧缓存的典型显示框图。JCOednc

图1:并行SRAM显示缓存实现方案(来源:赛普拉斯)JCOednc

有多种方法能够降低显示器功耗。JCOednc

将显示控制器集成到主微控制器内部。市场上常见的显示器模块都有内置控制器。完成上述集成后,有助于充分利用主微控制器的低功耗特性。JCOednc

使用低功耗存储器作为帧缓存。因为帧缓存始终处于开启状态,所以应采用待机电流低的存储器。JCOednc

减少对帧缓存的频繁更新。使用容量足够大的存储器并加载多个帧可降低CPU工作电流。如果将最经常访问的帧加载到存储器中,就无需从帧缓存加载和卸载数据。将帧缓存切换到不同的存储器地址就能切换显示器上显示的图像。JCOednc

传统上,我们一直将并行异步SRAM用作外部显示缓存,因为控制器和显示器能够轻松地为他们提供支持。然而,这种类型的存储器封装尺寸大、引脚数量多。而串行存储器引脚数量少、封装尺寸小,可以减少所需的控制器引脚数,节省PCB成本。在以Quad SPI模式工作在108MHz下时,串行存储器的性能可与并行异步SRAM媲美。例如,赛普拉斯Excelon F-RAM就是一款最大密度高达8Mbit,并采用低引脚数小型GQFN封装的串行非易失性存储器。为了优化功耗,该器件可支持四种功耗模式。在典型的Quad SPI模式下以108MHz运行时,工作电流为16mA。当存储器不工作时,待机模式耗电102µA。深度待机模式可进一步将耗电降至0.8µA,休眠模式下只需要0.1µA的最低耗电。JCOednc

节省电力

由于可使用多种功耗模式并结合不同的唤醒次数,因此开发人员可根据应用需求降低总功耗水平。当显示器处于使用状态时,存储器将根据何时被访问以进行突发读取,而交替处于工作模式和待机模式。当显示器需要短时间暂停使用时,可使用深度待机模式。当显示器将在较长时间内停止使用时,可使用休眠模式。JCOednc

JCOednc

图2:基于赛普拉斯PSoC 6 + Excelon F-RAM的显示器解决方案(来源:赛普拉斯)JCOednc

图2所示的是使用串行F-RAM的典型实现方案。CPU负责将初始显示数据写入到帧缓存。写入后,LCD控制器将来自F-RAM帧缓存器的数据周期性刷新至LCD显示器。在设计时采用F-RAM,能为可穿戴设备显示器提供每秒>30帧(fps)的刷新率。采用QSPI F-RAM在各种分辨率的显示器上提供的典型fps如下表所示。JCOednc

JCOednc

除了用作显示缓存,非易失性F-RAM还能用作预渲染图像存储器,从而释放闪存空间。这样还能为帧缓存节省初始设置时间。过去的做法是在加电或从低功耗模式唤醒时,从闪存将数据和/或显示模板复制到帧缓存。使用非易失性存储器可以释放系统,从而加快启动时间。图3所示的是显示应用中微控制器的典型功耗特征。最大功耗发生在渲染和传输需要显示的图像期间。使用预渲染图像可缩短微控制器的工作时间,减少这一额外功耗。JCOednc

JCOednc

图3:微控制器功耗特征(来源:赛普拉斯)JCOednc

低功耗设计

显示应用通常采用320×240分辨率和每像素16位的显示器。这种显示器需要150KB容量的显示缓存。一片4Mbit的串行F-RAM能保存三帧这样大小的图像。一般情况下,可穿戴设备的显示器尺寸和分辨率更小,需要的显示缓存也更小。在用作显示缓存时,串行F-RAM工作在存储器映射模式下,以便CPU和访问其他内部存储器一样访问串行F-RAM。在本例中,显示控制器使用PSoC 6中的通用数字模块(UDB)、串行存储器接口模块(SMIF)和直接存储器访问(DMA)来实现,以实现低功耗刷新操作(参见图4)。显示控制器(UDB)将生成用于显示的控制信号,包括HSync、VSync、Data Enable(DE)和Dot Clock。由于UDB只有一个四字节FIFO,因此将内部SRAM用作行缓存。与帧缓存相比,行缓存很小,不需要大容量内部SRAM。JCOednc

JCOednc

图4:采用串行存储器的集成LCD控制器架构(来源:赛普拉斯)JCOednc

显示控制器刷新率的表达方式是每秒帧数(fps)。Vsync脉冲表示每帧的开始。在每一帧中都有多条行与水平显示行相对应。Hsync脉冲表示每行的开始。每个Hsync脉冲内的数据用点时钟(Dot Clock)计时,如图5所示。JCOednc

JCOednc

图5:显示器刷新周期(来源:赛普拉斯)JCOednc

在每个水平同步脉冲前,通过触发DMA,从外部F-RAM向SRAM复制行缓存。由于DMA无需CPU干预,因此CPU可以保持休眠模式以节省电力。在每个点时钟上,由行缓存(SRAM)至显示控制器(UDB FIFO)初始化DMA。显示控制器将向显示总线输出数据和正确的控制信号。两个帧刷新周期间的时间被称为空白期(具体为垂直空白),可用来更新F-RAM帧缓存。JCOednc

总功耗与CPU + 帧缓存 + 显示模块消耗的功耗呈函数关系。如果CPU和显示模块使用串行或并行存储器产生的功耗保持不变,则因串行F-RAM和并行SRAM电流消耗不同而观察到的功耗差异显示如下。JCOednc

JCOednc

[1]使用IS61/64WV25616EFALL进行比较JCOednc

与传统的显示缓存相比,F-RAM不仅功耗更低,而且引脚数更少、封装更小。可将F-RAM用作通用帧缓存,并与带有内置显示控制器的控制器搭配使用。除了最大限度地降低功耗以外,F-RAM存储器也能用于可穿戴设备的非易失性存储,从而提高效率。JCOednc

可穿戴设备市场正呈现爆发性增长态势,富于想象力的设计人员正在创造外型更小巧的产品。电池使用寿命长、功耗水平低是打动消费者购买的关键制胜因素。为了实现这一目标,主要策略是最大限度降低显示屏的功耗水平。使用F-RAM取代传统的SRAM显示缓存是一种理想方法。JCOednc

(原文发表于ASPENCORE旗下EDN姐妹媒体EETimes,参考链接:Optimizing wearable display power consumption,本文同步刊登于《电子工程专辑》2020年2月刊杂志;责编:Demi Xia)JCOednc

本文为电子技术设计原创文章,未经授权禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 波兰网友拆德国产电源插排,内部竟是中国制造?! 本文将会介绍LogiLink LPS262U电源插排(接线板)——包含三个USB端口和两个Schuko插座——的内部结构及其简短测试。
  • 理想ONE高速起火烧成光架,其1.2T三缸增程器曾被指隐藏 近期,网络平台上发布了一段理想ONE在行驶过程中,车辆出现起火的视频内容。现场拍摄的灭火后图片显示,该轿车过火后仅剩骨架,车辆前部增程器位置受损严重,车辆尾门已经在过火后从车身主体脱落。此前,曾有国内汽车媒体对一台行驶了10万公里的理想ONE的东安1.2T三缸增程发动机进行拆解,被指隐藏暗病。
  • 仿真器智能,工程师更聪明! 不要过度依赖SPICE仿真器的自动设定,因为过度相信自动化有时可能引发错误。请记得:仿真器智能,工程师更聪明!
  • 【领优秀论文集】Cadence 用户大会已开放注册
  • 儿童电子学(二):电容器 电容器是最重要的电气元件之一,我们将在儿童基础电子课程的第二部分了解它的工作原理我们将从储能功能方面对其进行探索,所进行的测试和实验将侧重于这一要素。
  • GaN是否可靠? GaN产业已经建立一套方法来保证GaN产品的可靠性,因此问题并不在于“GaN是否可靠?”,而是“如何验证GaN的可靠性?”
  • Cadence中国区线上用户大会-2022 会议将集聚Cadence的技术用户、开发者与业界专家,涵盖最完整的先进技术交流平台,从IP/SoC设计、验证仿真、系统分析及多物理场仿真、计算流体力学,到封装和板级设计的全流程的技术分享, 以及针对自动驾驶、人工智能、网络和5G/6G、云服务等创新应用的客户案例分享。您也将有机会和开发Cadence工具和IP的技术专家们进行对话。与此同时,还有丰富礼品等您来赢。 新的故事总会在盛夏开始序曲,新的灵感也极有可能于技术交流中迸发。
  • EA Elektro-Automatik代表与中国驻德大使共商中国市 EA Elektro-Automatik受邀参加主题为“变革中的贸易?不确定性时代的中德经济关系展望”的高层外贸战略论坛,为公司在中国市场实现重要增长进行规划并奠定基础。
  • 碳化硅电力电子应用不止于汽车 第三代宽禁带半导体——碳化硅(SiC)——正在发挥其众所周知的潜力,在过去五年内,汽车行业一直是该材料的公开试验场。然而,电气化议程不会以汽车开始和结束。更广泛的运输应用将很快出现,包括卡车和公共汽车、船舶和航运、火车的进一步电气化,甚至飞机。在供电方面,并网太阳能发电系统和通过高压直流链路传输能源,对于低碳能源的生产和分配也至关重要。
  • 拆解一个中国产的“树莓派”开发笔记本,售价279美元值 “树莓派”在全球市越来越受欢迎,甚至有家长开始让孩子用树莓派学习开发产品。有中国厂商嗅到,率先开发出了基于“树莓派”笔记本——CrowPi L ,外观看和普通笔记本差不多, 但却是基于树莓派Raspberry Pi 4B 开发板的套件,专为 STEM 教育而设计,带有可选的电子模块和教程。EDN发现有外媒对其进行了拆解,接下来将这篇拆解文章分享给大家:
  • 波兰网友测试拆解中国产手电筒/手提灯,会不会发起客诉? 本文将对中国制造的COB LED HP1807带移动电源的手提灯/手电筒的内部(包括电池容量)进行简短的测试和分析。在本主题中,我还将展示其电路板上连接的详细草图,这实际上也构成了其原理图。
  • 增强型GaN HEMT的漏极电流特性 增强型GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)已经采用两种不同的结构开发出来。这两种增强型结构是金属-绝缘层-半导体(MIS)结构和栅极注入晶体管(GIT)结构。MIS结构具有受电压驱动的小栅极漏电流,而GIT则具有脊形结构和高阈值电压。两者也都有一些缺点。MIS对栅极干扰的可靠性较低,阈值电压较低,而GIT的栅极开关速度较慢,栅极漏电流较大。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了