便攜式電子產(chǎn)品低功耗電路的設(shè)計技巧和分析

　　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、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大功能產(chǎn)品的電池放電時間？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大功能的產(chǎn)品的單次放電使用時間？那么答案只有1個：更低功耗的設(shè)計。

　　比如市場流行時尚的電子產(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間不減少？這從功耗觀點來看對我們設(shè)計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產(chǎn)品發(fā)揮出最大的效能，這也就是低功耗設(shè)計的意義所在。

　　下面以便攜式DVD產(chǎn)品為例，談一談在具體的設(shè)計中怎么樣來優(yōu)化功耗電路設(shè)計，使其實現(xiàn)低功耗。首先說一下功耗的概念，功耗是所有的電器設(shè)備都有的一個指標，指的是在單位時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個部分：TFT液晶顯示屏、主板、機芯和電池，除主板以外的另外3個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)計來降低功耗，主板共以下4個模塊：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）、音視頻部分和機芯馬達驅(qū)動部分，這其中主芯片及外圍電路模塊和機芯馬達驅(qū)動模塊在低功耗設(shè)計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行設(shè)計優(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)換器件來實現(xiàn)。但是電源的轉(zhuǎn)換效率不可能達到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現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，可實現(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90%以上。同時開關(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)計中大量采用了DC/DC。在選擇DC/DC的時候由于各個公司的設(shè)計不同在效率上也有所差異，這就需要我們做設(shè)計的在選擇這些器件的時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。這也使得我們在設(shè)計的時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通過降壓來實現(xiàn)，壓差也不大，在這里采用一顆LDO來實現(xiàn)。再一個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。但是因為成本上現(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到50-70%，而典型的D類放大器與之相比，效率可達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，因為在完全導(dǎo)通的時候晶體管的電流很大，但是電壓很小；在截至的時候加在晶體管的電壓很高，但是流過得電流很小。同時在沒有音頻信號時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的效率也起著至關(guān)重要的作用，因為通過軟件對I/O口的控制來實現(xiàn)電源的有效控制，對I/O進行設(shè)置，使它只在工作時消耗功率，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)屏的時候直接將FAN5331關(guān)掉，這樣使整個屏的模組都處在關(guān)斷狀態(tài)，使消耗的功率達到最優(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，但也不是個個都要拉。上下拉電阻拉一個單純的輸入信號，電流也就幾十微安以下，但拉一個被驅(qū)動了的信號，其電流將達毫安級。有人認為加了上下拉，這些信號的工作狀態(tài)會更加穩(wěn)定，但是這使整機的功耗也隨之增加。所以在設(shè)計的時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)計者來說必須具備在有限的功率指標下實現(xiàn)更高電路性能的能力，另外還要滿足基本的系統(tǒng)性能指標要求、和成本目標要求。我們需要仔細分析系統(tǒng)中所有部件的功率情況，來進行合理的選擇硬件電路設(shè)計所涉及的器件和芯片，提供出最好的設(shè)計方案。