便携式电子产品低功耗电路的设计技巧和分析

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 随着电子产品的快速发展,各种各样的电子产品越来越丰富,尤其是便携式的电子产品,MP3、MP4、手机、便携式DVD、便携式数字电视、便携式车载自动导航系统GPS、便携式笔记本电脑等等,并且他们的功能越来越强大、越来越丰富,体积也越来越精巧,所以说便携式电子产品的发展趋势必将是更小、更轻和功能更强大。

  那么在产品体积不加大甚至减小的情况下如何保证具有丰富强大功能产品的电池放电时间?产品的体积不加大甚至减小,也就意味着产品内置电池的体积和电池容量不加大甚至减小,换句话就是说在内置电池容量不加大甚至减小的情况下如何确保同功能或更丰富强大功能的产品的单次放电使用时间?那么答案只有1个:更低功耗的设计。

  比如市场流行时尚的电子产品便携式DVD,随着不断增加的功能需求MP3、MP4、Divx、USB、Card Reader、数字电视模块等等,如何在同样甚至更低的电池容量情况下保证产品在增加这些功能后的放电使用时间不减少?这从功耗观点来看对我们设计人员提出了更高的要求,也将变得更加具有挑战性。当然节约就是创造,怎么样能用最少的能量来使整机产品发挥出最大的效能,这也就是低功耗设计的意义所在。

  下面以便携式DVD产品为例,谈一谈在具体的设计中怎么样来优化功耗电路设计,使其实现低功耗。首先说一下功耗的概念,功耗是所有的电器设备都有的一个指标,指的是在单位时间中所消耗的能源的数量,单位为W。

  现在在便携式DVD系统中主要包含以下4个部分:TFT液晶显示屏、主板、机芯和电池,除主板以外的另外3个部件可以通过比较来选择使用具有更低功耗的品牌部件;但是主板只能通过具体的设计来降低功耗,主板共以下4个模块:主芯片及其外围电路、电源管理部分(包括TFT的电源管理部分)、音视频部分和机芯马达驱动部分,这其中主芯片及外围电路模块和机芯马达驱动模块在低功耗设计方面通过比较选择具有更低功耗的器件就可以,所以电源管理部分和音频功放部分的低功耗设计最为关键和重要,当然产品里面的系统软件对降低整机的功耗也起着重要的作用。下面我先从电源管理部分及音频部分来进行设计优化的阐述和分析。

  首先,对电源管理部分,这需要把外部电压转换为系统各芯片所需工作电压的电压转换器件来实现。但是电源的转换效率不可能达到100%,在转换过程中必定存在功率损耗,那我们的任务就是通过具体的设计分析来选择电压转换效率比较高的器件来尽量的减少功率的损耗。

  我们可以采用低压差线性稳压器(LDO),电荷泵和基于电感的DC/DC转换器将外来电压转换成系统所需的不同工作电压。低压差线性稳压器(LDO)只能将输入电压转换为更低的输出电压。在实际应用中,其功耗为P = (Vin - VOUT) * IOUT。当输入与输出电压相差较大,且输出电流也大的情况下,LDO本身消耗的功率就非常大,并产生相应的热量。所以说LDO的效率在压差较大输出电流较大的时候效率是比较低的,LDO特别适合于低电流,压差较小,或对电源噪声要求较高的场合;电荷泵采用电容来实现能量转换,可实现反压、倍压和稳压等变换,效率为80%左右。受电容容量及尺寸限制,电荷泵输出电流和电压都有限。DC/DC转换器采用低阻抗的开关(如MOSFET)以及电感等储能元件,实现降压和升压等转换。DC/DC转换器减小了电压变换过程中的功率损耗,效率高达90%以上。同时开关频率很高,减小了外部电感和电容的尺寸。

  通过对以上三种电压变换器件的比较分析,DC/DC转换器的效率较高又能实现较大的电流输出,所以是我们便携式产品电源转换的首选。所以在目前便携式电子产品的设计中大量采用了DC/DC。在选择DC/DC的时候由于各个公司的设计不同在效率上也有所差异,这就需要我们做设计的在选择这些器件的时候一定要注意其效率的高低,有必要我们自己亲自来测一下,在我们的工作平台上有没有效率这方面的优势。正如上面所说的LDO特别适合于低电流,压差较小,或对电源噪声要求较高的场合,还有就是它有较明显的价格优势,如果采用输出电流较大得DC/DC,对我们的生产成本来说也是一种浪费。这也使得我们在设计的时候也要考虑在压差和电流都不大的情况下来选择它,比如说我们系统中用到的1.8V,它对纹波的要求比较高且电流不大,可以从3.3V通过降压来实现,压差也不大,在这里采用一颗LDO来实现。再一个就是要尽量选用工作电压较低的主芯片,一般来说工作电压低的芯片功耗也会相应的降低,所以选用低电压工作的主芯片也有助于功耗的降低。

  低功耗设计并不仅仅是为了省电,更多的好处在于降低了由于功耗的损失而产生的热量,随着设备温度的降低,器件寿命则相应延长(半导体器件的工作温度每提高10度,寿命则缩短一半),同时由于电流的减小也减少了电磁辐射和热噪声的干扰。

  其次,对音频部分来说,主要是音频放大器件(Audio Amplifier),现有的功率放大器有A类、B类、AB类和D类,这其中D类放大器的效率最高,A类、B类和AB类线性放大器输出级都需要提供不小的偏置电流。其中A类放大器的效率最低一般不用。而D类放大器不需要偏置电流,所以具有较高的效率,能够大大延长电池寿命。所以在便携式电子产品中D类放大器应该是最好的选择。但是因为成本上现在D类放大器还没有优势,所以大部分的便携式电子产品中还是采用的多是AB类放大器。下面重点介绍一下AB类和D类放大器比较D类放大器的效率优势。典型的AB类放大器效率最高只能达到50-70%,而典型的D类放大器与之相比,效率可达85%,尤其是在低功率输出方面D类放大器比AB类放大器能储存更多的能量。即使是全功率或低功率输出,效率方面也更为突出。基本的D类放大器理论(如图1)是给定的小模拟信号作为功率放大器的输入。功率放大器内部调制器将模拟转换成数字信号(所以在某种意义上来说它是一种数字攻放),如脉宽调制(PWM),但它仍然是一个微弱的数字信号。然后,桥接放大器将数字信号的振幅放大。然后将高幅度数字信号转换回模拟输出。在这种情况下,放大器就可以完全工作在开关状态,在开关状态晶体管的效率是很高的,因为在完全导通的时候晶体管的电流很大,但是电压很小;在截至的时候加在晶体管的电压很高,但是流过得电流很小。同时在没有音频信号时使晶体管完全工作在截至状态,这样就可以尽量得减少功率的损耗,使其工作在高效的状态。在这里如果采用 D类放大器则可以比AB类的效率提高一倍。这类放大器正在越来越多的被应用在便携式产品中。在便携式 DVD中已经被大量采用。

图1 D类放大器理论图

  还有就是前面提到了软件对提高整机的效率也起着至关重要的作用,因为通过软件对I/O口的控制来实现电源的有效控制,对I/O进行设置,使它只在工作时消耗功率,比如对我们便携式DVD TFT的电源管理部分来说,关屏的时候,最好可以把去屏的所有电压都关掉,我们现在有的做法是只将高压板产生的背景等的高压关掉,但是FAN5331产生的正负压及其他屏的模块需要的电压还是在工作,这就会造成不必要的功率损耗。现在我们可以通过I/O口直接控制FAN5331的始能端(EN),这样在关屏的时候直接将FAN5331关掉,这样使整个屏的模组都处在关断状态,使消耗的功率达到最优化。

  其他需要注意的地方就是:在我们的系统中有很多信号需要上拉或者是下拉,当然信号需要上下拉的原因很多,但也不是个个都要拉。上下拉电阻拉一个单纯的输入信号,电流也就几十微安以下,但拉一个被驱动了的信号,其电流将达毫安级。有人认为加了上下拉,这些信号的工作状态会更加稳定,但是这使整机的功耗也随之增加。所以在设计的时候要搞清楚哪些信号是必须要上拉的,如果可以不上拉的尽量不要用。

  基于以上所说,这对我们设计者来说必须具备在有限的功率指标下实现更高电路性能的能力,另外还要满足基本的系统性能指标要求、和成本目标要求。我们需要仔细分析系统中所有部件的功率情况,来进行合理的选择硬件电路设计所涉及的器件和芯片,提供出最好的设计方案。

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