隨著(zhù)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、便攜式DVD、便攜式數字電視、便攜式車(chē)載自動(dòng)導航系統GPS、便攜式筆記本電腦等等，并且他們的功能越 來(lái)越強大、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(shí)間？產(chǎn)品的體積不加大甚至減小，也就意味著(zhù)產(chǎn)品內置電池的體積 和電池容量不加大甚至減小，換句話(huà)就是說(shuō)在內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(shí)間？那么答案只有1 個(gè)：更低功耗的設計。

　　比如市場(chǎng)流行時(shí)尚的電子產(chǎn)品便攜式DVD,隨著(zhù)不斷增加的功能需求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(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(guān)點(diǎn)來(lái)看對我們設計人員提 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(chuàng )造，怎么樣能用最少的能量來(lái)使整機產(chǎn)品發(fā)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(chǎn)品為例，談一談在具體的設計中怎么樣來(lái)優(yōu)化功耗電路設計，使其實(shí)現低功耗。首先說(shuō)一下功耗的概念，功耗是所有的電器設備都有的一個(gè)指標，指的是在單位時(shí)間中所消耗的能源的數量，單位為W。

　　現在在便攜式DVD系統中主要包含以下4個(gè)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(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)具體的設計來(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）、音視頻部分和機芯馬達驅動(dòng)部分，這其中主芯片及外圍電路模塊和機芯馬達驅動(dòng)模塊在低功耗設計方面通過(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計最為關(guān)鍵和重要，當然產(chǎn)品里面的系統軟件對降低整機的功耗也起著(zhù)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換為系統各芯片所需工作電壓的電壓轉換器件來(lái)實(shí)現。但是電源的轉換效率不可能達到100%，在轉換過(guò)程中必定存在功率損耗，那我們的任務(wù)就是通過(guò)具體的設計分析來(lái)選擇電壓轉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(xiàn)性穩壓器(LDO)，電荷泵和基于電感的DC/DC轉換器將外來(lái)電壓轉換成系統所需的不同工作電壓。低壓差線(xiàn)性穩壓器 (LDO)只能將輸入電壓轉換為更低的輸出電壓。在實(shí)際應用中，其功耗為P = (Vin - VOUT) * IOUT。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(chǎn)生相應的熱量。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，或對電源噪聲要求較高的場(chǎng)合；電荷泵采用電容來(lái)實(shí)現能量轉換，可實(shí)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(kāi)關(guān)(如MOSFET)以及電感等儲能元件，實(shí) 現降壓和升壓等轉換。DC/DC轉換器減小了電壓變換過(guò)程中的功率損耗，效率高達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(shí)現較大的電流輸出，所以是我們便攜式產(chǎn)品電源轉換的首選。所以在目前 便攜式電子產(chǎn)品的設計中大量采用了DC/DC。在選擇DC/DC的時(shí)候由于各個(gè)公司的設計不同在效率上也有所差異，這就需要我們做設計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)測一下，在我們的工作平臺上有沒(méi)有效率這方面的優(yōu)勢。正如上面所說(shuō)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(chǎng)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(lái)說(shuō)也是一種浪費。這也使得我們在 設計的時(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(guò)降壓來(lái)實(shí) 現，壓差也不大，在這里采用一顆LDO來(lái)實(shí)現。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(chǎn)生的熱量，隨著(zhù)設備溫度的降低，器件壽命則相應延長(cháng)（半導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(lái)說(shuō)，主要是音頻放大器件(Audio Amplifier)，現有的功率放大器有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(xiàn)性放大器輸出級都需要提供不小的 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(cháng)電池壽命。所以在便攜式電子產(chǎn)品中D類(lèi)放大 器應該是最好的選擇。但是因為成本上現在D類(lèi)放大器還沒(méi)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(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。典型的AB類(lèi)放大器效率最高只能達到50-70%，而典型的D類(lèi)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(lèi)放大器比AB類(lèi)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�；�本的D類(lèi)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。功率放大器內部調制器將模擬轉換成數字信號（所以在某種意義上來(lái)說(shuō)它是一種數字攻放），如脈寬調制(PWM)，但它仍然是一個(gè)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(kāi)關(guān)狀態(tài)，在開(kāi)關(guān)狀態(tài)晶體管的 效率是很高的，因為在完全導通的時(shí)候晶體管的電流很大，但是電壓很��；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(lèi)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(zhù)至關(guān)重要的作用，因為通過(guò)軟件對I/O口的控制來(lái)實(shí)現電源的有效控制，對I/O進(jìn)行設置，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(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(huì )造成不必要的功率損耗�，F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)，使消耗的功率達到最優(yōu)化。

　　其他需要注意的地方就是：在我們的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(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)被驅動(dòng)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(huì )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(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(shuō)，這對我們設計者來(lái)說(shuō)必須具備在有限的功率指標下實(shí)現更高電路性能的能力，另外還要滿(mǎn)足基本的系統性能指標要求、和成本目標要求。我們需要仔細分析系統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計所涉及的器件和芯片，提供出最好的設計方案。