便攜式設(shè)備或便攜式產(chǎn)品(Portable Device Or Portable Product)的定義非常廣泛，可以說(shuō)，凡是以電池作為主要驅(qū)動(dòng)能量的設(shè)備或產(chǎn)品，均可稱之為便攜式設(shè)備，這類產(chǎn)品中固然大多數(shù)仍然保存了外接直流電源的接口，但內(nèi)置的電池仍然是它的主要工作能源，例如，人們普遍熟悉的日用消費(fèi)類產(chǎn)品：MP3播放器/MP4播放器、PDA、手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、DV、便攜式DVD、筆記本電腦等，以及產(chǎn)業(yè)使用的手持式測(cè)試儀、車載行業(yè)使用的衛(wèi)星定位系統(tǒng)(GPS)、衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)等等。
用戶在使用便攜式產(chǎn)品時(shí)，都有一個(gè)共同的期看，即：渴看這類產(chǎn)品的正常使用時(shí)間越長(zhǎng)越好，尤其在用戶離開(kāi)了熟悉的室內(nèi)環(huán)境(辦公場(chǎng)所或家中)，或置身于出差的路途之中時(shí)，用戶往往很不方便就近地獲得維持產(chǎn)品正常運(yùn)行的能量；此外，無(wú)人值守的野外監(jiān)測(cè)站、全天候長(zhǎng)期連續(xù)運(yùn)行的安全監(jiān)控系統(tǒng)等，在如今綠色環(huán)保節(jié)能的呼聲下，也對(duì)設(shè)備的節(jié)電設(shè)計(jì)提出了很高的要求。因此，此類產(chǎn)品的整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)電設(shè)計(jì)的優(yōu)劣與否，就成為了衡量產(chǎn)品設(shè)計(jì)成功與失敗的標(biāo)志，可以說(shuō)節(jié)電設(shè)計(jì)是一個(gè)優(yōu)秀工程師所具備的基本概念。
如圖1所示，我們往往用電源模塊的輸出、輸進(jìn)真?zhèn)�功率之比來(lái)做為估算該模塊的轉(zhuǎn)換效率，η=((Vout*Iout)/(Vin*Iin))*100%。對(duì)于一個(gè)電源模塊而言，我們當(dāng)然渴看它的轉(zhuǎn)換效率η越高越好，但實(shí)際上電源模塊工作時(shí)的損耗是不可避免的，η往往達(dá)到90%，就可以以為是一個(gè)比較理想和成功的設(shè)計(jì)了。
在便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中，為了盡可能地充分利用電池的全部能量，我們?cè)陂_(kāi)發(fā)過(guò)程中，需要經(jīng)常測(cè)試并估算每個(gè)電源模塊的轉(zhuǎn)換效率，若理論計(jì)算值明顯低于廠家所提供的技術(shù)資料中所給出的指標(biāo)，則需要工程師對(duì)主芯片及外圍元器件進(jìn)行慎重篩選，并反復(fù)測(cè)試確認(rèn)。下面，將扼要先容一下此類產(chǎn)品節(jié)電設(shè)計(jì)的幾個(gè)主要方面。
元器件的選型
有道是“工欲善其事，必先利其器”，欲令整個(gè)產(chǎn)品達(dá)到節(jié)電的目的，在硬件設(shè)計(jì)之初，就需要對(duì)元器件的選型格外關(guān)注，具體表現(xiàn)在：
1. 選用低功耗且具有電源治理的中心處理器。
便攜式設(shè)備的CPU，與產(chǎn)業(yè)及普通家庭所使用的CPU的工作電壓有明顯的不同，前者的工作電壓通常是3.3V或更低，有的便攜式設(shè)備的處理器甚至將它的工作電壓分為幾組來(lái)設(shè)計(jì)，I/O部分為了方便與外設(shè)接口仍然是3.3V，但處理器的核心部分則是1.8V或更低；而產(chǎn)業(yè)及普通家庭所使用的產(chǎn)品，由于可以直接就近從市電系統(tǒng)中獲得能量，對(duì)整個(gè)產(chǎn)品的節(jié)電與否不是很敏感，它們所使用CPU的工作電壓通常是5V。這是由于在同樣驅(qū)動(dòng)電流的情況下，CPU的工作電壓越高，則需要設(shè)備的供電系統(tǒng)提供更多的能量，這勢(shì)必影響到此類產(chǎn)品的整體性能。故需要我們優(yōu)先選用低工作電壓的處理器；這條規(guī)則也適用于其它外圍芯片的選擇，例如：Flash Memory、SRAM/SDRAM、通用邏輯門(mén)電路芯片、ADC/DAC、FPGA等。
圖1：電源模塊的轉(zhuǎn)換效率 當(dāng)然，僅僅注重選擇低工作電壓的CPU還不夠，我們還需要關(guān)注它的工作狀態(tài)，并以具有電源治理的中心處理器為最優(yōu)。我們以Cypress的PSoC系列的低功耗CPU為例，它除了正常“運(yùn)行”的工作模式以外，還有：“CPU睡眠”、“模擬睡眠(Analog Sleep)”和“完全睡眠”等三種睡眠方式。開(kāi)發(fā)者通過(guò)對(duì)模擬參考控制寄存器中的Analog Power Control位清零，可以使所有模擬PSoC模塊進(jìn)進(jìn)“模擬睡眠”狀態(tài)，若要最大限度地降低功耗，用戶可使CPU進(jìn)進(jìn)“完全睡眠”模式，這可在進(jìn)進(jìn)“模擬睡眠”狀態(tài)后，再設(shè)置相關(guān)的狀態(tài)位和控制寄存器(CPU_SCR)中的Sleep位來(lái)實(shí)現(xiàn)。CPU進(jìn)進(jìn)“完全睡眠”模式后，會(huì)使CPU停止工作，若要回到“模擬睡眠”模式，則必須有中斷或有復(fù)位(POR或WDR)發(fā)生。
在“運(yùn)行”狀態(tài)下，開(kāi)發(fā)者通過(guò)設(shè)置相關(guān)的狀態(tài)位和控制寄存器(CPU_SCR)中的Sleep位，可直接進(jìn)進(jìn)“CPU睡眠”工作狀態(tài)，此時(shí)，CPU將停止指向指令，直到有中斷或有復(fù)位(上電復(fù)位POR或看門(mén)狗WDR)發(fā)生；當(dāng)CPU處于“CPU睡眠”工作狀態(tài)時(shí)，所有來(lái)自主振蕩器的時(shí)鐘信號(hào)都不在工作，包括48M、24M、24V1和24V2這些系統(tǒng)時(shí)鐘，此時(shí)，只有內(nèi)部低速振蕩器在繼續(xù)工作(進(jìn)進(jìn)低精度及低功耗狀態(tài))，那些從系統(tǒng)獲取時(shí)鐘的模擬和數(shù)字模塊也將停止工作。圖2為這三種睡眠模式之間的切換關(guān)系示意圖。
圖2：CPU三種睡眠模式之間的切換關(guān)系示意圖 2. 電源元器件選型及設(shè)計(jì)要點(diǎn)。
便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，元器件的選型，除了封裝小、低功耗等通用要求以外，還有一些值得關(guān)注之處。對(duì)于便攜式設(shè)備而言，它的主要?jiǎng)恿κ且揽侩姵靥峁┠芰浚Ｓ玫碾姵乜煞譃槠胀ㄒ淮涡允褂玫膲A性電池和可充電電池。
每個(gè)普通一次性使用的堿性電池的電芯出廠時(shí)的端電壓是1.5V，隨著放電時(shí)間的推移而慢慢下降，當(dāng)降至大約1.0V左右，則不再工作�？沙潆婋姵胤譃镹iMH(鎳金屬氫)電池、LI-ION(鋰離子電池)及鋰聚合物電池，早期的NiCd(鎳鎘)電池，由于有極其嚴(yán)重的記憶效應(yīng)，及含有對(duì)人體有危害的重金屬鎘元素，造成環(huán)境污染等原因，目前已被淘汰，早已不再使用了。
每個(gè)NiMH電池的電芯布滿電時(shí)的端電壓是1.2V，隨著放電時(shí)間的推移而緩慢下降，當(dāng)降至1.0V左右，則不再工作，若繼續(xù)使用將造成電池過(guò)放電，而影響電池的使用壽命，故2節(jié)NiMH電池的正常使用范圍為2.4~2.0V。
每節(jié)鋰離子電池及鋰聚合物電池的電芯布滿電時(shí)的端電壓是4.2V(也有的是4.1V，根據(jù)電芯的廠牌而有所不同)，額定電壓是3.6V，隨著放電時(shí)間的推移而緩慢下降，當(dāng)降至3.1V左右，則不再工作，若繼續(xù)使用將造成電池過(guò)放電，影響電池的使用壽命，故鋰離子電池的正常使用范圍為3.1V-4.2V。鋰離子電池的電芯比較嬌貴，對(duì)它進(jìn)行過(guò)沖電或過(guò)放電均會(huì)嚴(yán)重地影響到電池的使用壽命，故鋰離子電池的使用者都會(huì)為它專門(mén)設(shè)計(jì)一塊保護(hù)線路板，以避免這種情況的發(fā)生。
由于電池正常使用時(shí)表現(xiàn)的端電壓不同，故便攜式設(shè)備的電源模塊的設(shè)計(jì)也就完全不同。以目前的電子設(shè)計(jì)技術(shù)而言，通常的電源轉(zhuǎn)換模塊，有LDO(線性穩(wěn)壓器)及DC/DC(直流/直流變換器)兩大類，當(dāng)然，為了同時(shí)適應(yīng)升壓或降壓的工作狀況，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體(NS)推出了SEPIC(Single Ended Primary Inductance Converter)的概念，例如LM3478/LM3488等芯片，但目前應(yīng)用還不太普及。
LDO由于實(shí)現(xiàn)的原理簡(jiǎn)單，本錢(qián)低廉，工作穩(wěn)定可靠，外圍元器件少(通常只需要在它的輸進(jìn)輸出端各加1只濾波電容即可)，紋波小，故問(wèn)世以來(lái)得到了眾多工程師的青睞，獲得了廣泛的應(yīng)用，但它的轉(zhuǎn)換效率低(通常是70%或更低)、會(huì)發(fā)熱，故僅僅適合于小負(fù)載電流(對(duì)于便攜式產(chǎn)品而言，建議不要超過(guò)150mA左右)及輸進(jìn)輸出電壓差ΔV較小的場(chǎng)合(ΔV越大，則電源模塊的發(fā)熱越厲害)，否則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的電源模塊的工作效率低下，將嚴(yán)重影響整個(gè)產(chǎn)品的正常使用時(shí)間。
在選擇LDO時(shí)，需要考慮的基本題目包括輸進(jìn)電壓范圍、預(yù)期輸出電壓、負(fù)載電流范圍以及其封裝的功耗能力。但是便攜式應(yīng)用需要考慮更多題目。接地電流或靜態(tài)電流(IGND或IQ)、電源紋波抑制比(PSRR)、噪聲與封裝大小通常是便攜式應(yīng)用決定最佳LDO選擇的要素。LDO的選型要點(diǎn)，在于選用LDO滿負(fù)載工作時(shí)，盡可能小的ΔV值，由于通常它的輸出噪音、輸出精度等指標(biāo)都較輕易滿足設(shè)計(jì)需求。以NS的LP3995為例，它在最大負(fù)載150mA時(shí)，只有60mV的壓降，具有優(yōu)異的性能。
為什么會(huì)說(shuō)輸進(jìn)輸出電壓差ΔV較小的LDO適合便攜式式設(shè)備的應(yīng)用呢？答案是：由于LDO的特性，注定它是工作在降壓的狀態(tài)，即輸出真?zhèn)�電壓永遠(yuǎn)比輸進(jìn)真?zhèn)�電壓低，它們之間的壓差為ΔV＝Vi－Vo。
圖3： LDO的壓差ΔV即是輸進(jìn)Vi減往輸出Vo之差如圖3所示，當(dāng)Vo維持恒定不變時(shí)，若Vo＝3.30V、ΔV＝0.06V，則Vi＝Vo＋ΔV＝3.30V+0.06V=3.36V，即欲在LDO的輸出端獲得負(fù)載所需要的穩(wěn)定的3.30V，則需要為這個(gè)LDO模塊最低提供3.36V的工作電壓即可，若ΔV值較大，若為0.20V，則同樣的情形下，Vi＝Vo＋ΔV＝3.30V+0.20V=3.50V，使得電池低于3.50V的電量無(wú)法開(kāi)釋出來(lái)，試驗(yàn)證實(shí)，鋰離子電池的在3.50V到截至放電的3.10V之間，還有大約24％的剩余能量沒(méi)有開(kāi)釋出來(lái)；由此可見(jiàn)，ΔV值越小的LDO，電池的使用效率就越高，越有利于便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。
盡量選用低的ΔV值的LDO，是此類元器件的選擇原則。有的廠商的LDO為了適合便攜式產(chǎn)品的應(yīng)用，還專門(mén)設(shè)計(jì)了芯片使能端，例如：NS的LP3990/3995等系列芯片，當(dāng)主機(jī)檢測(cè)到某個(gè)負(fù)載模塊處于不工作狀態(tài)時(shí)，則通過(guò)處理器的通用I/O口(GPIO)向?qū)?yīng)的電源轉(zhuǎn)換模塊發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)，令其徹底關(guān)斷，此時(shí)，整個(gè)LDO模塊處于低功耗的待機(jī)狀態(tài)，整個(gè)模塊的耗電只有1μA，達(dá)到了最大地節(jié)省電池電量的目的。
對(duì)于需要電源模塊提供較大的負(fù)載電流，或者負(fù)載的電壓值高于電池的端電壓時(shí)，使用LDO顯然就分歧適了，此時(shí)，就必須考慮使用DC/DC轉(zhuǎn)換器；DC/DC按照工作情形的不同可分為升壓型DC/DC，即DC/DC StepUp，及降壓型DC/DC，即DC/DC StepDown兩大類。DC/DC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)缺點(diǎn)正好與LDO形成互補(bǔ)，它的轉(zhuǎn)換效率高(至少在80％以上，有的公司的芯片，轉(zhuǎn)換效率甚至可達(dá)95％)，不會(huì)發(fā)熱；但芯片本身的本錢(qián)高、外圍線路比較復(fù)雜、對(duì)外圍元器件要求較高、工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪音干擾等等，這些都是DC/DC模塊不可避免的缺點(diǎn)。
DC/DC芯片的選用原則是：尋找轉(zhuǎn)換效率高、價(jià)格適中、封裝小、所需的外圍元器件少的芯片作為優(yōu)選方案。例如：NS的L3670等系列芯片，轉(zhuǎn)換效率可達(dá)95％，并將DC/DC模塊必須的MOSFET、肖特基二極管等元器件集成了進(jìn)往，極大地方便了使用，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。此外，DC/DC芯片通常還具有芯片使能端，當(dāng)主機(jī)檢測(cè)到某個(gè)負(fù)載模塊處于不工作狀態(tài)時(shí)，則通過(guò)處理器的(GPIO向?qū)?yīng)的電源轉(zhuǎn)換模塊發(fā)出一個(gè)控制信號(hào)，對(duì)其徹底關(guān)斷，此時(shí)，整個(gè)模塊隨即處于耗電量極低的待機(jī)狀態(tài)，如：NS的L3670等系列芯片，在待機(jī)狀態(tài)下，功耗只有0.1μA，實(shí)現(xiàn)了最大地節(jié)省電池電量的目的。
DC/DC模塊的節(jié)電設(shè)計(jì)原則，除了主芯片的選擇以外，所配用的外圍元器件的選擇也很重要，若模塊需要外接MOSFET，那么除了留意選擇最大峰值工作電流、元器件的封裝應(yīng)該滿足要求以外，還要格外留意關(guān)注Rds(on)的值，此值越小越好，通常在數(shù)十毫歐姆以內(nèi)；對(duì)于DC/DC而言，由于芯片的內(nèi)部電荷泵始終在工作著，依靠PWM技術(shù)，頻繁地導(dǎo)通或切斷MOSFET，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的控制，故DC/DC模塊均工作在較高頻率的條件下，因此為了降低輸出真?zhèn)�紋波，必須選用較大容量值的電容，并且為了降低模塊的內(nèi)部損耗，我們必須選用較小的ESR(等效串聯(lián)阻抗)值的電容為最佳(此數(shù)值也是越小越好，但通�？紤]到本錢(qián)等因素，在數(shù)十毫歐姆以內(nèi)均可接受)，疊層陶瓷電容是此類產(chǎn)品較理想的選擇；有了低Rds(on)值的MOSFET和低ESR值的電容，才可令DC/DC模塊工作的效率得到保證，符合便攜式設(shè)備節(jié)電設(shè)計(jì)的原則。
若需要外接二極管，應(yīng)該采用快恢復(fù)和前向壓降較小的肖特基二極管。同時(shí)應(yīng)確保二極管的均勻電流和峰值電流分別高于轉(zhuǎn)換模塊的均勻輸出電流和限制電流。另外，該二極管的反向擊穿電壓也必須高于電路的輸出電壓Vout。
軟硬件的聯(lián)合設(shè)計(jì)及調(diào)試技術(shù)
對(duì)于便攜式產(chǎn)品而言，有了性能優(yōu)異的元器件，僅僅是個(gè)基礎(chǔ)。欲取得最佳的節(jié)電效果，還需要系統(tǒng)的操縱系統(tǒng)(底層軟件)的支持與參與。一個(gè)具備節(jié)電設(shè)計(jì)概念的優(yōu)秀工程師，應(yīng)該明白用戶的需求，知道何時(shí)令CPU全速運(yùn)行，何時(shí)令CPU處于睡眠的狀態(tài)，以達(dá)到即節(jié)省電池電量，又不影響到產(chǎn)品正常使用的目的，通常表現(xiàn)在：
1. CPU全速運(yùn)行狀態(tài)
產(chǎn)品在開(kāi)機(jī)進(jìn)行初始化操縱，或待機(jī)狀態(tài)下檢測(cè)到外部中斷、用戶按鍵等操縱時(shí)，應(yīng)該令CPU的工作主頻全速運(yùn)行，以便盡可能降低系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)間，提升產(chǎn)品的響應(yīng)速度，以免用戶等得焦慮。CPU全速運(yùn)行狀態(tài)也是此類設(shè)備最耗電的狀態(tài)。
2. 待機(jī)、喚醒及LCD顯示屏工作狀態(tài)的處理
便攜式產(chǎn)品的顯示屏通常是LCD屏，LCD屏雖是低功耗的顯示器件，但在此類產(chǎn)品仍然是耗電最大的模塊之一；試驗(yàn)證實(shí)，對(duì)于筆記本電腦這樣具有大尺寸的具有CCFL燈管的被動(dòng)顯示的LCD屏的產(chǎn)品而言，LCD屏的耗電要接近整個(gè)產(chǎn)品耗電的50％甚至更多，即使對(duì)于智能手機(jī)等這樣小尺寸的主動(dòng)顯示LCD屏的產(chǎn)品，LCD模塊消耗的電流也要大約占據(jù)整機(jī)耗電的1/3，故對(duì)于LCD屏的工作狀態(tài)的正確處理，將直接影響到便攜式產(chǎn)品的整體節(jié)電性能。
在產(chǎn)品處于正常工作時(shí)，LCD正常顯示，我們需要設(shè)置處理器的內(nèi)部計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)，當(dāng)檢測(cè)到某個(gè)連續(xù)的時(shí)間段沒(méi)有任何外部操縱及中斷發(fā)生時(shí)，則應(yīng)該令CPU的工作主頻下降，只需要維持LCD屏正常顯示即可，同時(shí)開(kāi)放所有中斷資源，以便隨時(shí)接受用戶的外部操縱等，令系統(tǒng)進(jìn)進(jìn)待機(jī)狀態(tài)；試驗(yàn)證實(shí)，便攜式產(chǎn)品在工作的大部分時(shí)間內(nèi)，均是處于這種待機(jī)狀態(tài)，正確處理待機(jī)時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的工作主頻，將有效地延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間。
在待機(jī)狀態(tài)下，處理器內(nèi)部的計(jì)數(shù)器仍然在繼續(xù)地工作著，當(dāng)它檢測(cè)到某個(gè)更長(zhǎng)的連續(xù)的時(shí)間段內(nèi)(此數(shù)值通過(guò)可由用戶通過(guò)操縱菜單進(jìn)行修改)，仍然沒(méi)有任何外部操縱及中斷發(fā)生時(shí)，則立即切斷LCD顯示屏的電源，同時(shí)令CPU進(jìn)進(jìn)“完全睡眠”的模式，此時(shí)，產(chǎn)品完全處于睡眠的狀態(tài)，可達(dá)到最大地節(jié)省電池電量的目的。進(jìn)進(jìn)“完全睡眠”模式的便攜式產(chǎn)品，仍然可由外部中斷或上電復(fù)位等操縱進(jìn)行喚醒，從而進(jìn)進(jìn)全速運(yùn)行的狀態(tài)。
3. 電池電量的實(shí)時(shí)治理
在產(chǎn)品待機(jī)狀態(tài)下，便攜式產(chǎn)品的操縱系統(tǒng)還應(yīng)該具備電池電量治理的功能。系統(tǒng)通過(guò)A/D口隨時(shí)檢測(cè)電池確當(dāng)前電量，當(dāng)電池的端電壓低于某個(gè)設(shè)定的警告值時(shí)(2節(jié)NiMH電池是2.10V，鋰離子電池是3.20V)，系統(tǒng)隨即發(fā)出聲光報(bào)警，提醒用戶及時(shí)對(duì)電池進(jìn)行充電；若用戶仍然繼續(xù)使用，電池的電量則會(huì)繼續(xù)下降，當(dāng)電池的端電壓低于某個(gè)設(shè)定的值時(shí)(2節(jié)NiMH電池是2.00V，鋰離子電池是3.10V)，系統(tǒng)隨即強(qiáng)制關(guān)機(jī)，以便對(duì)電池進(jìn)行有效保護(hù)，避免過(guò)放電，從而影響電池的使用壽命，同時(shí)CPU對(duì)SRAM中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，以避免客戶的資料永久丟失。 |
