便攜式電子產品低功耗電路的設計技巧和分析

隨著電子產品的快速發展，便攜式的電子產品越來越豐富，發展趨勢是更小、更輕和功能更強大。那么在產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品的電池工作時間?答案只有一個：更低功耗的設計。

比如市場流行時尚的電子產品便攜式DVD，隨著不斷增加的功能需求，諸如MP3、MP4、Divx、USB、Card Reader、數字電視模塊等等，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設計人員提出了更高的要求，也將變得更加具有挑戰性。當然節約就是創造，怎么樣能用最少的能量來使整機產品發揮出最大的效能，這也就是低功耗設計的意義所在。

下面以便攜式DVD產品為例，談一談在具體的設計中怎么樣來優化功耗電路設計，使其實現低功耗。現在在便攜式DVD系統中主要包含以下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動部分，這其中主芯片及外圍電路模塊和機芯馬達驅動模塊在低功耗設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計最為關鍵和重要，當然產品里面的系統軟件對降低整機的功耗也起著重要的作用。下面先從電源管理部分及音頻部分來進行設計優化的闡述和分析。

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

可以采用低壓差線性穩壓器(LDO)，電荷泵和基于電感的DC/DC轉換器將外來電壓轉換成系統所需的不同工作電壓。低壓差線性穩壓器(LDO)只能將輸入電壓轉換為更低的輸出電壓。在實際應用中，其功耗為P=(V_in-V_out)×I_out。當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，并產生相應的熱量。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，或對電源噪聲要求較高的場合；電荷泵采用電容來實現能量轉換，可實現反壓、倍壓和穩壓等變換，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轉換器采用低阻抗的開關(如MOSFET)以及電感等儲能元件，實現降壓和升壓等轉換。DC/DC轉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轉換器的效率較高又能實現較大的電流輸出，所以是便攜式產品電源轉換的首選。所以在目前便攜式電子產品的設計中大量采用了DC/DC。在選擇DC/DC的時候由于各個公司的設計不同在效率上也有所差異，這就需要在選擇這些器件的時候一定要注意其效率的高低，有必要自己親自來測一下，在工作平臺上有沒有效率這方面的優勢。正如上面所說的LDO特別適合于低電流，壓差較小，或對電源噪聲要求較高的場合，還有就是它有較明顯的價格優勢，如果采用輸出電流較大的DC/DC，對生產成本來說也是一，種浪費。這也使得我們在設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，比如說系統中用到的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，壓差也不大，在這里采用一顆LDO來實現。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生的熱量，隨著設備溫度的降低，器件壽命則相應延長(半導體器件的工作溫度每提高10℃，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品中D類放大器應該是最好的選擇。但是因為成本上現在D類放大器還沒有優勢，所以大部分的便攜式電子產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。基本的D類放大器理論是給定的小模擬信號作為功率放大器的輸入。功率放大器內部調制器將模擬轉換成數字信號(所以在某種意義上來說它是一種數字功放)，如脈寬調制(PWM)，但它仍然是一個微弱的數字信號。然后，橋接放大器將數字信號的振幅放大。然后將高幅度數字信號轉換回模擬輸出。在這種情況下，放大器就可以完全工作在開關狀態，在開關狀態晶體管的效率是很高的，因為在完全導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，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。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用在便攜式產品中。在便攜式DVD中已經被大量采用。

還有就是前面提到了軟件對提高整機的效率也起著至關重要的作用，因為通過軟件對I/O口的控制來實現電源的有效控制，對I/O進行設置，使它只在工作時消耗功率，比如對便攜式DVD TFT的電源管理部分來說，關屏的時候，最好可以把去屏的所有電壓都關掉，現在有的做法是只將高壓板產生的背景燈的高壓關掉，但是FAN5331產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。現在我們可以通過I/O口直接控制FAN5331的始能端(EN)，這樣在關屏的時候直接將FAN5331關掉，使整個屏的模組都處在關斷狀態，使消耗的功率達到最優化。

其他需要注意的地方就是：在系統中有很多信號需要上拉或者是下拉，當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會更加穩定，但是這使整機的功耗也隨之增加。所以在設計的時候要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，這對設計者來說必須具備在有限的功率指標下實現更高電路性能的能力，另外還要滿足基本的系統性能指標要求、和成本目標要求。需要仔細分析系統中所有部件的功率情況，來進行合理的選擇硬件電路設計所涉及的器件和芯片，提供出最好的設計方案。