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專(zhuān)家推薦:便攜產(chǎn)品的更低功耗電路設(shè)計(jì)技巧

發(fā)布時(shí)間:2013-11-08 責(zé)任編輯:sherryyu

【導(dǎo)讀】如今的電子產(chǎn)品是越來(lái)越豐富多彩,但是很明顯的一個(gè)缺陷就是耗電量真心大。一個(gè)大點(diǎn)屏幕的智能手機(jī)隨便幾個(gè)小時(shí)就沒(méi)電了。所以使得低功耗設(shè)計(jì)成為當(dāng)務(wù)之急。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熱量產(chǎn)生和電磁輻射。那么做到更低功耗的設(shè)計(jì)呢?下文結(jié)合實(shí)例為大家講解!

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(lái)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(chē)載自動(dòng)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(lái)越強(qiáng)大、越來(lái)越豐富,體積也越來(lái)越精巧,所以說(shuō)便攜式電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)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(shuō)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(chǎng)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(lái)看對(duì)我們?cè)O(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(lái)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(lái)優(yōu)化功耗電路設(shè)計(jì),使其實(shí)現(xiàn)低功耗。首先說(shuō)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(guò)比較來(lái)選擇使用具有更低功耗的品牌部件;但是主板只能通過(guò)具體的設(shè)計(jì)來(lái)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(dòng)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(dòng)模塊在低功耗設(shè)計(jì)方面通過(guò)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(duì)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(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的闡述和分析。

首先,對(duì)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(lái)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(guò)程中必定存在功率損耗,那我們的任務(wù)就是通過(guò)具體的設(shè)計(jì)分析來(lái)選擇電壓轉(zhuǎn)換效率比較高的器件來(lái)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(lái)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(shuō)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(chǎng)合;電荷泵采用電容來(lái)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(kāi)關(guān)(如MOSFET)以及電感等儲(chǔ)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(guò)程中的功率損耗,效率高達(dá)90%以上。同時(shí)開(kāi)關(guān)頻率很高,減小了外部電感和電容的尺寸。

通過(guò)對(duì)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(lái)測(cè)一下,在我們的工作平臺(tái)上有沒(méi)有效率這方面的優(yōu)勢(shì)。正如上面所說(shuō)的LDO特別適合于低電流,壓差較小,或?qū)﹄娫丛肼曇筝^高的場(chǎng)合,還有就是它有較明顯的價(jià)格優(yōu)勢(shì),如果采用輸出電流較大得DC/DC,對(duì)我們的生產(chǎn)成本來(lái)說(shuō)也是一種浪費(fèi)。這也使得我們?cè)谠O(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(lái)選擇它,比如說(shuō)我們系統(tǒng)中用到的1.8V,它對(duì)紋波的要求比較高且電流不大,可以從3.3V通過(guò)降壓來(lái)實(shí)現(xiàn),壓差也不大,在這里采用一顆LDO來(lái)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(lái)說(shuō)工作電壓低的芯片功耗也會(huì)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。

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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(zhǎng)(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(duì)音頻部分來(lái)說(shuō),主要是音頻放大器件(Audio Amplifier),現(xiàn)有的功率放大器有A類(lèi)、B類(lèi)、AB類(lèi)和D類(lèi),這其中D類(lèi)放大器的效率最高,A類(lèi)、B類(lèi)和AB類(lèi)線性放大器輸出級(jí)都需要提供不小的偏置電流。其中A類(lèi)放大器的效率最低一般不用。而D類(lèi)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(zhǎng)電池壽命。所以在便攜式電子產(chǎn)品中D類(lèi)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(lèi)放大器還沒(méi)有優(yōu)勢(shì),所以大部分的便攜式電子產(chǎn)品中還是采用的多是AB類(lèi)放大器。下面重點(diǎn)介紹一下AB類(lèi)和D類(lèi)放大器比較D類(lèi)放大器的效率優(yōu)勢(shì)。典型的AB類(lèi)放大器效率最高只能達(dá)到50-70%,而典型的D類(lèi)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(lèi)放大器比AB類(lèi)放大器能儲(chǔ)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(lèi)放大器理論(如圖1)是給定的小模擬信號(hào)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(hào)(所以在某種意義上來(lái)說(shuō)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(hào)。然后,橋接放大器將數(shù)字信號(hào)的振幅放大。然后將高幅度數(shù)字信號(hào)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(kāi)關(guān)狀態(tài),在開(kāi)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(guò)得電流很小。同時(shí)在沒(méi)有音頻信號(hào)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(lèi)放大器則可以比AB類(lèi)的效率提高一倍。這類(lèi)放大器正在越來(lái)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。

 D類(lèi)放大器理論圖

圖1 D類(lèi)放大器理論圖

還有就是前面提到了軟件對(duì)提高整機(jī)的效率也起著至關(guān)重要的作用,因?yàn)橥ㄟ^(guò)軟件對(duì)I/O口的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)電源的有效控制,對(duì)I/O進(jìn)行設(shè)置,使它只在工作時(shí)消耗功率,比如對(duì)我們便攜式DVD TFT的電源管理部分來(lái)說(shuō),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(huì)造成不必要的功率損耗。現(xiàn)在我們可以通過(guò)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(hào)需要上拉或者是下拉,當(dāng)然信號(hào)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(hào),電流也就幾十微安以下,但拉一個(gè)被驅(qū)動(dòng)了的信號(hào),其電流將達(dá)毫安級(jí)。有人認(rèn)為加了上下拉,這些信號(hào)的工作狀態(tài)會(huì)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(hào)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(shuō),這對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)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(lái)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。

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