便携应用电源捉襟见肘 多种节电技术出面解围

节电技术可为便携产品带来突出的竞争优势。功耗在电路级、器件级和系统级三个层次上都有潜力可挖，多管齐下可大幅延长电池使用时间。

　　目前广泛使用的、以通话为主要功能的2G移动电话待机时间一般为数天至一周，相对于几年前手机必须每天充电的情况已有大幅改善，但这种改善并不足够。下一代2.5G或3G移动电话将拥有的网站浏览、视音频以及电子邮件与个人信息管理等功能将使功耗增加10倍。日本的一些3G电话在密集使用下不到一小时就没电了，而国内新推出的某些具有PDA等多种功能的智能电话在密集使用下也只能维持半天。

　　除手机之外，其它电池供电的便携产品，如摄像机及数码相机，电源紧张的问题也很突出。目前的摄像机和数码相机在一次充电后都只有一个小时左右的累积工作时间。

　　今年2月在美国三蕃市举办的2003年国际固态电路会议(ISSCC)一改往年仅关注"性能"的沿习，今年的主题定为"Power-aware Systems"。会上，东京大学的一位教授指出，除非系统功耗成倍降低，否则半导体技术的进步可能带给我们的享受都只能是空谈。

　　减少耗电量的好处不仅在于延长电池使用时间。若不追求时间的延长，亦可缩小电池体积。因
此节能技术将为便携产品带来明显的、用户可切实感受到的竞争优势。

　　好在电源问题还没有到山穷水尽的时候。过去，系统中的很多能量都被浪费掉了，而且被浪费的数量还相当可观，因此挖掘的潜力还很大。近年来，一些零散的或系统的节电技术相应而生。笔者参阅大量资料，并结合过去的采访，将各种节电技术和经验进行了简单的整理与归纳，希望为我们的工程师读者提供一个较为全面的借鉴。其中有些是老生常谈，有些则新鲜独到。

　　提高供给效率

　　改善电源供给系统的效率是最直接的方法，也是各家电源器件供应商为提高竞争优势而努力追求的目标。经过多年的努力，各家厂商的电源转换产品在转换效率水平上已非常接近，比如在优化条件下基本上都能达到90%甚至95%以上的水平，相差只有几个百分点。不过，如果你刻意追求功耗的降低，几个百分点也不能小看。

　　保证电源效率的关键是让转换器尽量工作于优化条件下，比如LDO在轻负载时效率最高，而开关式转换器更适应重负载。对于负荷变化范围较大的负载，一种不算太新的解决方案是将线性的LDO调整器与开关式转换器整合在一起，根据负载的大小动态地在两种模式之间转换，总体上可获得更高的效率。比如安森美的NCP1501和国家半导体的LM2612等产品。

　　相对于标准化的转换器，电源管理芯片则呈现很大的差异。厂商的策略有两种，一是针对一般应用提供基本功能的产品，主要包括对电池或负载的电流/电压/温度等参数进行监测与调控、充电功能、复位与上电顺序控制等，另一种策略是针对主流应用提供专门的大规模电源管理芯片，这种芯片除在电源管理方面更有针对性之外，还会整合为各种标准功能电路提供专门电源的转换器，如为处理器、LCD显示及背光提供电源的转换器。当然最优的方案是按照自己的系统开发定制芯片，但开发周期相当长。

　　电池电压与系统电压的配合必须在设计初期给予留意：电路板所需电压尽量不要落在电池放电过程的电压变动范围内。比如，系统电压设计为3.3V，则电池电压波动范围为2.9-4.0V，这样将迫使你使用BUCK-BOOST转换器、或电感式的SEPIC转换器，两者的效率都低于单纯的BUCK或BOOST转换器。

　　电源管理中与电源效率相关的部分包括是否能够根据负载情况有效地调整电源输出模式及各部分功能电路的关断与重启。最好有可编程接口使开发者能够根据实际情况灵活地调整节电方式。此外，比较容易忽视的是充电模式是否针对所用的电池类型进行了优化，不同充电方法对电池循环使用周期的影响不可小看。

　　从不同角度降低负载功耗

　　便携产品中，功率主要集中在处理器、RF功放、显示器(包括背光)、输入/输出接口、存储器。选择低功耗产品的着眼点有三个方面：

　　是否采用先进工艺、拥有更好的硬性指标，主要用来考察模拟器件，比如开关或功放器件有更低的导通电阻。就射频收发电路来说，目前的趋势是采用先进的CMOS技术或细间距锗化硅工艺降低收发器中的功耗，应用特殊的硅DMOS工艺或砷化镓技术降低功率放大器的功耗。

　　器件具有本质性高效架构，如D类音频功率放大器相对于A/B类具有更高的效率。

　　器件具有某方面的较高指标，从而降低了对外部电源的要求。比如，在对性能要求不高的场合，一些具有极高PSRR(电源波动抑制比)的器件(>60dB)可以省略电源调整器件。比如，安森美的音频放大器NCP2890/2809可以直接使用电池电压，从而省略LDO，这不仅降低成本，也减少了LDO的功率损失。

　　处理器的功耗分析比较复杂，一些专家提出以下几个分析的角度：

　　1．动态内核与静态内核如何？如果最低时钟频率为0，一般说明没有纯动态内核。功耗可以降至接近零的水平。
　　2．I/O与总线在不同状态下消耗的电流，如静态泄漏电流I或者I。

　　3．是否能够动态地改变时钟频率。如果内部采用锁相环时钟生成电路，则可以随时地按需动态改变。

　　4．各种时钟频率下总电源电流的标称值，以及睡眠与节电模式下的电流值。

　　5．合理的总线宽度： 一个实例说明，8位总线与16位总线相比，功耗增加了近一半。因此不要过分追求总线宽度。
　　减少浪费 聚少成多

　　过去的系统没有针对电源消耗精打细算，因此"浪费现象"严重，可挖掘的潜力很大，也是系统设计师能够发挥作用的地方。其策略是珍惜点滴的电源支出，尽量减少不必要的功耗消耗。着眼点有三个方面：

　　少用高耗能器件

　　尽量减少高耗能元器件的使用量，如减少照明LED的使用量、少用光电隔离器件与机电式继电器等。

　　及时进入关断/睡眠状态

　　在某些功能没有用到时，适时地将处理器/控制器内部电路的全部或部分关断或令其进入睡眠状态/待机状态，同时关断不用的外围， 如USART、ADC或PWM等电路。

　　关于睡眠管理的一个技巧是：如果唤醒时间太长，或者唤醒事件过于频繁，那么采用低水平运行（如更低的频率或电压）比频繁的睡眠和唤醒可能更省电。

　　局部节电技巧

　　局部的节电技巧可以达到聚少成多的效果。以下是一些实用的技巧：

　　1．采用RC振荡器比晶振更省电，唤醒时间也更短；

　　2．接口电路尽量匹配，尤其RF功放的驱动与输出。目前有些PA器件具有自动匹配的能力，可以减少设计的工作量。

　　3．检查电路中的电阻是否消耗了过高的功率，比如尽可能采用较大阻值的上拉/下拉电阻。

　　4．如果允许，适当降低外部驱动脚的电压。

　　5．编程时，尽量采用查询表，而不要让程序自己去计算，以减少运算量。

　　6．选择合适的驱动接口参数，以减少缓冲器的使用量。

　　动态调节 深挖潜能

　　以上节电技术都可看成是相对静态的方法，即调节的密度或者说频率不是很高，这样节省的是"大块"的电能。但实际上，在正常、频繁的操作中还是有很多间隙具有节电的空间，但要节省这部分能量要求采用快速的密集调节方法，或称动态调节技术。目前动态调节的主要是时钟频率和电压，其方针是降级运行，以性能换取能量，通常指在计算（针对处理器）或输出（如功放器件）负荷水平较低的情况下，随时调低处理器或放大器等器件的时钟频率和电源电压。

　　开发者自行实现的动态调节

　　一些低档的处理器本身缺少动态节电功能，但系统开发者可以通过编程与控制自动实现简单的动态调节。此时通常要求外部的电源转换器有可编程接口，比如凌特公司的一些转换器就具备可编辑的接口。但有一点需注意：如果更快的时钟能够使任务更快地完成，从而有更多时间处于节电状态，那么快时钟比慢时钟可能更具节能效果。

　　处理器内部自带的动态调节

　　一些高集成度的处理器，如英特尔的StrongARM和XScale处理器、TI的OMAP处理器系列以及IBM最近发布的PowerPC 405LP和Transmeta Crusoe等CPU都提供内核电压和频率的动态调节功能。

　　器件之间的闭环调节

　　所谓闭环调节是指用电器件内部增设专门的监测电路，随时监测器件的运行状态与功率消耗，并同时将监测结果发送给外部的电源转换器，使转换器能够根据情况进行相应的电压调节。国家半导体公司将这种技术称之为AVS，即适应性电压调节。此外，TI公司也推出动态电压与频率变换（DVFS）技术，不仅调整电压，也调整频率。

　　作为一种更加灵活和密集的节电技术，闭环动态调节的潜力相当可观，但该技术的障碍之一是电源器件与用电器件如处理器之间的通讯尚无标准，因此只能在厂商内部或达成合作关系的几家厂商来提供整体方案，这对用户来说就缺少了自由选择厂商的灵活性。去年，国家半导体与ARM公司达成合作，共同开发闭环技术，并称能够将系统功耗减少25%至400%，相应产品和技术将于2004年推出。ARM公司提供的资料说，该技术将是非专有技术，欢迎其它厂商跟进，意在促进更多供应商之间的合作和电源管理接口标准的达成。前景如何值得关注。

　　操作系统级的节电技术

　　操作系统级的电源管理目前在笔记本电脑中已有应用。选择具有高级节能功能的操作系统可以节省复杂系统应用程序开发者的大量时间，但要求操作提供灵活全面的应用程序接口。面向嵌入应用的几大主流操作系统都提供高级的电源管理能力，但机制大不相同，相应地增加了开发的难度。

　　节电的极限？

　　单一的节电研发可以一蹴而就，但要达到全面节电就有相当的难度。首先，它需要研发者有相当的耐心和观察力，能够看到全部的能量空间；第二需要精到的模拟电路技术和知识，因为多数节能问题都涉及模拟电路知识；第三需要创意，简繁得当的系统结构与电路细节可同时实现更佳的成本效益与节电效果。

　　飞利浦手机以超长的电池使用时间而著称。该公司的专家称，其实其内部技术尚未用上特别高超的技术，只是将目前可用的节电技术几乎都用上了，就取得3-4周的待机时间。

　　最后提出一个本刊一直关心的问题供大家思考。节电技术似乎有一个上限，当所有静态功耗与浪费的动态功耗都节约下来，节省的空间就达到极限。而便携设备的用电需求量仍在迅速增加。目前，我们看不到电池技术在短期内会有量的进步，那么供电问题会否成为未来便携设备发展难以突破的瓶颈呢？我刊将继续就这一问题撰文探讨。