便攜式電子產(chǎn)品低功耗電路的設(shè)計(jì)技巧和分析

　　隨著電子產(chǎn)品的快速發(fā)展，各種各樣的電子產(chǎn)品越來越豐富，尤其是便攜式的電子產(chǎn)品，MP3、MP4、手機(jī)、便攜式DVD、便攜式數(shù)字電視、便攜式車載自動導(dǎo)航系統(tǒng)GPS、便攜式筆記本電腦等等，并且他們的功能越來越強(qiáng)大、越來越豐富，體積也越來越精巧，所以說便攜式電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢必將是更小、更輕和功能更強(qiáng)大。

　　那么在產(chǎn)品體積不加大甚至減小的情況下如何保證具有豐富強(qiáng)大功能產(chǎn)品的電池放電時(shí)間？產(chǎn)品的體積不加大甚至減小，也就意味著產(chǎn)品內(nèi)置電池的體積和電池容量不加大甚至減小，換句話就是說在內(nèi)置電池容量不加大甚至減小的情況下如何確保同功能或更豐富強(qiáng)大功能的產(chǎn)品的單次放電使用時(shí)間？那么答案只有1個(gè)：更低功耗的設(shè)計(jì)。

　　比如市場流行時(shí)尚的電子產(chǎn)品便攜式DVD,隨著不斷增加的功能需求MP3、MP4、Divx、USB、Card Reader、數(shù)字電視模塊等等，如何在同樣甚至更低的電池容量情況下保證產(chǎn)品在增加這些功能后的放電使用時(shí)間不減少？這從功耗觀點(diǎn)來看對我們設(shè)計(jì)人員提出了更高的要求，也將變得更加具有挑戰(zhàn)性。當(dāng)然節(jié)約就是創(chuàng)造，怎么樣能用最少的能量來使整機(jī)產(chǎn)品發(fā)揮出最大的效能，這也就是低功耗設(shè)計(jì)的意義所在。

　　下面以便攜式DVD產(chǎn)品為例，談一談在具體的設(shè)計(jì)中怎么樣來優(yōu)化功耗電路設(shè)計(jì)，使其實(shí)現(xiàn)低功耗。首先說一下功耗的概念，功耗是所有的電器設(shè)備都有的一個(gè)指標(biāo)，指的是在單位時(shí)間中所消耗的能源的數(shù)量，單位為W。

　　現(xiàn)在在便攜式DVD系統(tǒng)中主要包含以下4個(gè)部分：TFT液晶顯示屏、主板、機(jī)芯和電池，除主板以外的另外3個(gè)部件可以通過比較來選擇使用具有更低功耗的品牌部件；但是主板只能通過具體的設(shè)計(jì)來降低功耗，主板共以下4個(gè)模塊：主芯片及其外圍電路、電源管理部分（包括TFT的電源管理部分）、音視頻部分和機(jī)芯馬達(dá)驅(qū)動部分，這其中主芯片及外圍電路模塊和機(jī)芯馬達(dá)驅(qū)動模塊在低功耗設(shè)計(jì)方面通過比較選擇具有更低功耗的器件就可以，所以電源管理部分和音頻功放部分的低功耗設(shè)計(jì)最為關(guān)鍵和重要，當(dāng)然產(chǎn)品里面的系統(tǒng)軟件對降低整機(jī)的功耗也起著重要的作用。下面我先從電源管理部分及音頻部分來進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的闡述和分析。

　　首先，對電源管理部分，這需要把外部電壓轉(zhuǎn)換為系統(tǒng)各芯片所需工作電壓的電壓轉(zhuǎn)換器件來實(shí)現(xiàn)。但是電源的轉(zhuǎn)換效率不可能達(dá)到100%，在轉(zhuǎn)換過程中必定存在功率損耗，那我們的任務(wù)就是通過具體的設(shè)計(jì)分析來選擇電壓轉(zhuǎn)換效率比較高的器件來盡量的減少功率的損耗。

　　我們可以采用低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)，電荷泵和基于電感的DC/DC轉(zhuǎn)換器將外來電壓轉(zhuǎn)換成系統(tǒng)所需的不同工作電壓。低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)只能將輸入電壓轉(zhuǎn)換為更低的輸出電壓。在實(shí)際應(yīng)用中，其功耗為P = (Vin - VOUT) * IOUT。當(dāng)輸入與輸出電壓相差較大，且輸出電流也大的情況下，LDO本身消耗的功率就非常大，并產(chǎn)生相應(yīng)的熱量。所以說LDO的效率在壓差較大輸出電流較大的時(shí)候效率是比較低的，LDO特別適合于低電流，壓差較小，或?qū)﹄娫丛肼曇筝^高的場合；電荷泵采用電容來實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，可實(shí)現(xiàn)反壓、倍壓和穩(wěn)壓等變換，效率為80%左右。受電容容量及尺寸限制，電荷泵輸出電流和電壓都有限。DC/DC轉(zhuǎn)換器采用低阻抗的開關(guān)(如MOSFET)以及電感等儲能元件，實(shí)現(xiàn)降壓和升壓等轉(zhuǎn)換。DC/DC轉(zhuǎn)換器減小了電壓變換過程中的功率損耗，效率高達(dá)90%以上。同時(shí)開關(guān)頻率很高，減小了外部電感和電容的尺寸。

　　通過對以上三種電壓變換器件的比較分析，DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率較高又能實(shí)現(xiàn)較大的電流輸出，所以是我們便攜式產(chǎn)品電源轉(zhuǎn)換的首選。所以在目前便攜式電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中大量采用了DC/DC。在選擇DC/DC的時(shí)候由于各個(gè)公司的設(shè)計(jì)不同在效率上也有所差異，這就需要我們做設(shè)計(jì)的在選擇這些器件的時(shí)候一定要注意其效率的高低，有必要我們自己親自來測一下，在我們的工作平臺上有沒有效率這方面的優(yōu)勢。正如上面所說的LDO特別適合于低電流，壓差較小，或?qū)﹄娫丛肼曇筝^高的場合，還有就是它有較明顯的價(jià)格優(yōu)勢，如果采用輸出電流較大得DC/DC，對我們的生產(chǎn)成本來說也是一種浪費(fèi)。這也使得我們在設(shè)計(jì)的時(shí)候也要考慮在壓差和電流都不大的情況下來選擇它，比如說我們系統(tǒng)中用到的1.8V，它對紋波的要求比較高且電流不大，可以從3.3V通過降壓來實(shí)現(xiàn)，壓差也不大，在這里采用一顆LDO來實(shí)現(xiàn)。再一個(gè)就是要盡量選用工作電壓較低的主芯片，一般來說工作電壓低的芯片功耗也會相應(yīng)的降低，所以選用低電壓工作的主芯片也有助于功耗的降低。

　　低功耗設(shè)計(jì)并不僅僅是為了省電，更多的好處在于降低了由于功耗的損失而產(chǎn)生的熱量，隨著設(shè)備溫度的降低，器件壽命則相應(yīng)延長（半導(dǎo)體器件的工作溫度每提高10度，壽命則縮短一半），同時(shí)由于電流的減小也減少了電磁輻射和熱噪聲的干擾。

　　其次，對音頻部分來說，主要是音頻放大器件(Audio Amplifier)，現(xiàn)有的功率放大器有A類、B類、AB類和D類，這其中D類放大器的效率最高，A類、B類和AB類線性放大器輸出級都需要提供不小的偏置電流。其中A類放大器的效率最低一般不用。而D類放大器不需要偏置電流，所以具有較高的效率，能夠大大延長電池壽命。所以在便攜式電子產(chǎn)品中D類放大器應(yīng)該是最好的選擇。但是因?yàn)槌杀旧犀F(xiàn)在D類放大器還沒有優(yōu)勢，所以大部分的便攜式電子產(chǎn)品中還是采用的多是AB類放大器。下面重點(diǎn)介紹一下AB類和D類放大器比較D類放大器的效率優(yōu)勢。典型的AB類放大器效率最高只能達(dá)到50-70%，而典型的D類放大器與之相比，效率可達(dá)85%，尤其是在低功率輸出方面D類放大器比AB類放大器能儲存更多的能量。即使是全功率或低功率輸出，效率方面也更為突出?；镜腄類放大器理論（如圖1）是給定的小模擬信號作為功率放大器的輸入。功率放大器內(nèi)部調(diào)制器將模擬轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號（所以在某種意義上來說它是一種數(shù)字攻放），如脈寬調(diào)制(PWM)，但它仍然是一個(gè)微弱的數(shù)字信號。然后，橋接放大器將數(shù)字信號的振幅放大。然后將高幅度數(shù)字信號轉(zhuǎn)換回模擬輸出。在這種情況下，放大器就可以完全工作在開關(guān)狀態(tài)，在開關(guān)狀態(tài)晶體管的效率是很高的，因?yàn)樵谕耆珜?dǎo)通的時(shí)候晶體管的電流很大，但是電壓很小；在截至的時(shí)候加在晶體管的電壓很高，但是流過得電流很小。同時(shí)在沒有音頻信號時(shí)使晶體管完全工作在截至狀態(tài)，這樣就可以盡量得減少功率的損耗，使其工作在高效的狀態(tài)。在這里如果采用 D類放大器則可以比AB類的效率提高一倍。這類放大器正在越來越多的被應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品中。在便攜式 DVD中已經(jīng)被大量采用。

圖1  D類放大器理論圖

　　還有就是前面提到了軟件對提高整機(jī)的效率也起著至關(guān)重要的作用，因?yàn)橥ㄟ^軟件對I/O口的控制來實(shí)現(xiàn)電源的有效控制，對I/O進(jìn)行設(shè)置，使它只在工作時(shí)消耗功率，比如對我們便攜式DVD TFT的電源管理部分來說，關(guān)屏的時(shí)候，最好可以把去屏的所有電壓都關(guān)掉，我們現(xiàn)在有的做法是只將高壓板產(chǎn)生的背景等的高壓關(guān)掉，但是FAN5331產(chǎn)生的正負(fù)壓及其他屏的模塊需要的電壓還是在工作，這就會造成不必要的功率損耗?，F(xiàn)在我們可以通過I/O口直接控制FAN5331的始能端（EN）,這樣在關(guān)屏的時(shí)候直接將FAN5331關(guān)掉，這樣使整個(gè)屏的模組都處在關(guān)斷狀態(tài)，使消耗的功率達(dá)到最優(yōu)化。

　　其他需要注意的地方就是：在我們的系統(tǒng)中有很多信號需要上拉或者是下拉，當(dāng)然信號需要上下拉的原因很多，但也不是個(gè)個(gè)都要拉。上下拉電阻拉一個(gè)單純的輸入信號，電流也就幾十微安以下，但拉一個(gè)被驅(qū)動了的信號，其電流將達(dá)毫安級。有人認(rèn)為加了上下拉，這些信號的工作狀態(tài)會更加穩(wěn)定，但是這使整機(jī)的功耗也隨之增加。所以在設(shè)計(jì)的時(shí)候要搞清楚哪些信號是必須要上拉的，如果可以不上拉的盡量不要用。

　　基于以上所說，這對我們設(shè)計(jì)者來說必須具備在有限的功率指標(biāo)下實(shí)現(xiàn)更高電路性能的能力，另外還要滿足基本的系統(tǒng)性能指標(biāo)要求、和成本目標(biāo)要求。我們需要仔細(xì)分析系統(tǒng)中所有部件的功率情況，來進(jìn)行合理的選擇硬件電路設(shè)計(jì)所涉及的器件和芯片，提供出最好的設(shè)計(jì)方案。