便携式设备节电设计时考虑因素

便携式设备或便携式产品(Portable Device Or Portable Product)的定义非常广泛，可以说，凡是以电池作为主要驱动能量的设备或产品，均可称之为便携式设备，这类产品中虽然大多数仍然保留了外接直流电源的接口，但内置的电池仍然是它的主要工作能源，例如，人们普遍熟悉的日用消费类产品：MP3播放器/MP4播放器、PDA、手机、数码相机、DV、便携式DVD、笔记本电脑等，以及工业使用的手持式测试仪、车载行业使用的卫星定位系统(GPS)、卫星导航系统等等。

用户在使用便携式产品时，都有一个共同的期望，即：渴望这类产品的正常使用时间越长越好，尤其在用户离开了熟悉的室内环境(办公场所或家中)，或置身于出差的路途之中时，用户往往很不方便就近地获得维持产品正常运行的能量；此外，无人值守的野外监测站、全天候长期连续运行的安全监控系统等，在如今绿色环保节能的呼声下，也对设备的节电设计提出了很高的要求。因此，此类产品的整个系统的节电设计的优劣与否，就成为了衡量产品设计成功与失败的标志，可以说节电设计是一个优秀工程师所具备的基本概念。

如图1所示，我们往往用电源模块的输出、输入端的功率之比来做为估算该模块的转换效率，η=((Vout*Iout)/(Vin*Iin))*100%。对于一个电源模块而言，我们当然渴望它的转换效率η越高越好，但实际上电源模块工作时的损耗是不可避免的，η往往达到90%，就可以认为是一个比较理想和成功的设计了。

在便携式产品的设计中，为了尽可能地充分利用电池的全部能量，我们在开发过程中，需要经常测试并估算每个电源模块的转换效率，若理论计算值明显低于厂家所提供的技术资料中所给出的指标，则需要工程师对主芯片及外围元器件进行慎重筛选，并反复测试确认。下面，将简要介绍一下此类产品节电设计的几个主要方面。

元器件的选型

有道是“工欲善其事，必先利其器”，欲令整个产品达到节电的目的，在硬件设计之初，就需要对元器件的选型格外关注，具体表现在：

1. 选用低功耗且具有电源管理的中央处理器。

便携式设备的CPU，与工业及普通家庭所使用的CPU的工作电压有明显的不同，前者的工作电压通常是3.3V或更低，有的便携式设备的处理器甚至将它的工作电压分为几组来设计，I/O部分为了方便与外设接口仍然是3.3V，但处理器的核心部分则是1.8V或更低；而工业及普通家庭所使用的产品，因为可以直接就近从市电系统中获得能量，对整个产品的节电与否不是很敏感，它们所使用CPU的工作电压通常是5V。这是因为在同样驱动电流的情况下，CPU的工作电压越高，则需要设备的供电系统提供更多的能量，这势必影响到此类产品的整体性能。故需要我们优先选用低工作电压的处理器；这条规则也适用于其它外围芯片的选择，例如：Flash Memory、SRAM/SDRAM、通用逻辑门电路芯片、ADC/DAC、FPGA等。

图1：电源模块的转换效率

当然，仅仅注重选择低工作电压的CPU还不够，我们还需要关注它的工作状态，并以具有电源管理的中央处理器为最优。我们以Cypress的PSoC系列的低功耗CPU为例，它除了正常“运行”的工作模式以外，还有：“CPU睡眠”、“模拟睡眠(Analog Sleep)”和“完全睡眠”等三种睡眠方式。开发者通过对模拟参考控制寄存器中的Analog Power Control位清零，可以使所有模拟PSoC模块进入“模拟睡眠”状态，若要最大限度地降低功耗，用户可使CPU进入“完全睡眠”模式，这可在进入“模拟睡眠”状态后，再设置相关的状态位和控制寄存器(CPU_SCR)中的Sleep位来实现。CPU进入“完全睡眠”模式后，会使CPU停止工作，若要回到“模拟睡眠”模式，则必须有中断或有复位(POR或WDR)发生。

在“运行”状态下，开发者通过设置相关的状态位和控制寄存器(CPU_SCR)中的Sleep位，可直接进入“CPU睡眠”工作状态，此时，CPU将停止指向指令，直到有中断或有复位(上电复位POR或看门狗WDR)发生；当CPU处于“CPU睡眠”工作状态时，所有来自主振荡器的时钟信号都不在工作，包括48M、24M、24V1和24V2这些系统时钟，此时，只有内部低速振荡器在继续工作(进入低精度及低功耗状态)，那些从系统获取时钟的模拟和数字模块也将停止工作。图2为这三种睡眠模式之间的切换关系示意图。

图2：CPU三种睡眠模式之间的切换关系示意图

2. 电源元器件选型及设计要点。

便携式产品设计时，元器件的选型，除了封装小、低功耗等通用要求以外，还有一些值得关注之处。对于便携式设备而言，它的主要动力是依靠电池提供能量，常用的电池可分为普通一次性使用的碱性电池和可充电电池。

每个普通一次性使用的碱性电池的电芯出厂时的端电压是1.5V，随着放电时间的推移而慢慢下降，当降至大约1.0V左右，则不再工作。可充电电池分为NiMH(镍金属氢)电池、LI-ION(锂离子电池)及锂聚合物电池，早期的NiCd(镍镉)电池，因为有极其严重的记忆效应，及含有对人体有危害的重金属镉元素，造成环境污染等原因，目前已被淘汰，早已不再使用了。

每个NiMH电池的电芯充满电时的端电压是1.2V，随着放电时间的推移而缓慢下降，当降至1.0V左右，则不再工作，若继续使用将造成电池过放电，而影响电池的使用寿命，故2节NiMH电池的正常使用范围为2.4~2.0V。

每节锂离子电池及锂聚合物电池的电芯充满电时的端电压是4.2V(也有的是4.1V，根据电芯的厂牌而有所不同)，额定电压是3.6V，随着放电时间的推移而缓慢下降，当降至3.1V左右，则不再工作，若继续使用将造成电池过放电，影响电池的使用寿命，故锂离子电池的正常使用范围为3.1V-4.2V。锂离子电池的电芯比较娇贵，对它进行过冲电或过放电均会严重地影响到电池的使用寿命，故锂离子电池的使用者都会为它专门设计一块保护线路板，以避免这种情况的发生。

因为电池正常使用时表现的端电压不同，故便携式设备的电源模块的设计也就完全不同。以目前的电子设计技术而言，通常的电源转换模块，有LDO(线性稳压器)及DC/DC(直流/直流变换器)两大类，当然，为了同时适应升压或降压的工作状况，美国国家半导体(NS)推出了SEPIC(Single Ended Primary Inductance Converter)的概念，例如LM3478/LM3488等芯片，但目前应用还不太普及。

LDO因为实现的原理简单，成本低廉，工作稳定可靠，外围元器件少(通常只需要在它的输入输出端各加1只滤波电容即可)，纹波小，故问世以来得到了众多工程师的青睐，获得了广泛的应用，但它的转换效率低(通常是70%或更低)、会发热，故仅仅适合于小负载电流(对于便携式产品而言，建议不要超过150mA左右)及输入输出电压差ΔV较小的场合(ΔV越大，则电源模块的发热越厉害)，否则会导致整个系统的电源模块的工作效率低下，将严重影响整个产品的正常使用时间。

在选择LDO时，需要考虑的基本问题包括输入电压范围、预期输出电压、负载电流范围以及其封装的功耗能力。但是便携式应用需要考虑更多问题。接地电流或静态电流(I_GND或I_Q)、电源纹波抑制比(PSRR)、噪声与封装大小通常是便携式应用决定最佳LDO选择的要素。LDO的选型要点，在于选用LDO满负载工作时，尽可能小的ΔV值，因为通常它的输出噪音、输出精度等指标都较容易满足设计需求。以NS的LP3995为例，它在最大负载150mA时，只有60mV的压降，具有优异的性能。

为什么会说输入输出电压差ΔV较小的LDO适合便携式式设备的应用呢？答案是：因为LDO的特性，注定它是工作在降压的状态，即输出端的电压永远比输入端的电压低，它们之间的压差为ΔV＝Vi－Vo。

图3： LDO的压差ΔV等于输入Vi减去输出Vo之差

如图3所示，当Vo维持恒定不变时，若Vo＝3.30V、ΔV＝0.06V，则Vi＝Vo＋ΔV＝3.30V+0.06V=3.36V，即欲在LDO的输出端获得负载所需要的稳定的3.30V，则需要为这个LDO模块最低提供3.36V的工作电压即可，若ΔV值较大，若为0.20V，则同样的情形下，Vi＝Vo＋ΔV＝3.30V+0.20V=3.50V，使得电池低于3.50V的电量无法释放出来，试验证明，锂离子电池的在3.50V到截至放电的3.10V之间，还有大约24％的剩余能量没有释放出来；由此可见，ΔV值越小的LDO，电池的使用效率就越高，越有利于便携式产品的设计。

尽量选用低的ΔV值的LDO，是此类元器件的选择原则。有的厂商的LDO为了适合便携式产品的应用，还专门设计了芯片使能端，例如：NS的LP3990/3995等系列芯片，当主机检测到某个负载模块处于不工作状态时，则通过处理器的通用I/O口(GPIO)向对应的电源转换模块发出一个控制信号，令其彻底关断，此时，整个LDO模块处于低功耗的待机状态，整个模块的耗电只有1μA，达到了最大地节省电池电量的目的。

对于需要电源模块提供较大的负载电流，或者负载的电压值高于电池的端电压时，使用LDO显然就不合适了，此时，就必须考虑使用DC/DC转换器；DC/DC按照工作情形的不同可分为升压型DC/DC，即DC/DC StepUp，及降压型DC/DC，即DC/DC StepDown两大类。DC/DC转换器的优缺点正好与LDO形成互补，它的转换效率高(至少在80％以上，有的公司的芯片，转换效率甚至可达95％)，不会发热；但芯片本身的成本高、外围线路比较复杂、对外围元器件要求较高、工作时会产生噪音干扰等等，这些都是DC/DC模块不可避免的缺点。

DC/DC芯片的选用原则是：寻找转换效率高、价格适中、封装小、所需的外围元器件少的芯片作为优选方案。例如：NS的L3670等系列芯片，转换效率可达95％，并将DC/DC模块必须的MOSFET、肖特基二极管等元器件集成了进去，极大地方便了使用，简化了硬件设计。此外，DC/DC芯片通常还具有芯片使能端，当主机检测到某个负载模块处于不工作状态时，则通过处理器的(GPIO向对应的电源转换模块发出一个控制信号，对其彻底关断，此时，整个模块随即处于耗电量极低的待机状态，如：NS的L3670等系列芯片，在待机状态下，功耗只有0.1μA，实现了最大地节省电池电量的目的。

DC/DC模块的节电设计原则，除了主芯片的选择以外，所配用的外围元器件的选择也很重要，若模块需要外接MOSFET，那么除了注意选择最大峰值工作电流、元器件的封装应该满足要求以外，还要格外留意关注Rds(on)的值，此值越小越好，通常在数十毫欧姆以内；对于DC/DC而言，由于芯片的内部电荷泵始终在工作着，依靠PWM技术，频繁地导通或切断MOSFET，来实现对输出电压的控制，故DC/DC模块均工作在较高频率的条件下，因此为了降低输出端的纹波，必须选用较大容量值的电容，并且为了降低模块的内部损耗，我们必须选用较小的ESR(等效串联阻抗)值的电容为最佳(此数值也是越小越好，但通常考虑到成本等因素，在数十毫欧姆以内均可接受)，叠层陶瓷电容是此类产品较理想的选择；有了低Rds(on)值的MOSFET和低ESR值的电容，才可令DC/DC模块工作的效率得到保证，符合便携式设备节电设计的原则。

若需要外接二极管，应该采用快恢复和前向压降较小的肖特基二极管。同时应确保二极管的平均电流和峰值电流分别高于转换模块的平均输出电流和限制电流。另外，该二极管的反向击穿电压也必须高于电路的输出电压Vout。

软硬件的联合设计及调试技术

对于便携式产品而言，有了性能优异的元器件，仅仅是个基础。欲取得最佳的节电效果，还需要系统的操作系统(底层软件)的支持与参与。一个具备节电设计概念的优秀工程师，应该明白用户的需求，知道何时令CPU全速运行，何时令CPU处于睡眠的状态，以达到即节省电池电量，又不影响到产品正常使用的目的，通常表现在：

1. CPU全速运行状态

产品在开机进行初始化操作，或待机状态下检测到外部中断、用户按键等操作时，应该令CPU的工作主频全速运行，以便尽可能降低系统的运行时间，提升产品的响应速度，以免用户等得焦急。CPU全速运行状态也是此类设备最耗电的状态。

2. 待机、唤醒及LCD显示屏工作状态的处理

便携式产品的显示屏通常是LCD屏，LCD屏虽是低功耗的显示器件，但在此类产品仍然是耗电最大的模块之一；试验证明，对于笔记本电脑这样具有大尺寸的具有CCFL灯管的被动显示的LCD屏的产品而言，LCD屏的耗电要接近整个产品耗电的50％甚至更多，即使对于智能手机等这样小尺寸的主动显示LCD屏的产品，LCD模块消耗的电流也要大约占据整机耗电的1/3，故对于LCD屏的工作状态的正确处理，将直接影响到便携式产品的整体节电性能。

在产品处于正常工作时，LCD正常显示，我们需要设置处理器的内部计数器开始计数，当检测到某个连续的时间段没有任何外部操作及中断发生时，则应该令CPU的工作主频下降，只需要维持LCD屏正常显示即可，同时开放所有中断资源，以便随时接受用户的外部操作等，令系统进入待机状态；试验证明，便携式产品在工作的大部分时间内，均是处于这种待机状态，正确处理待机时整个系统的工作主频，将有效地延长电池的使用时间。

在待机状态下，处理器内部的计数器仍然在继续地工作着，当它检测到某个更长的连续的时间段内(此数值通过可由用户通过操作菜单进行修改)，仍然没有任何外部操作及中断发生时，则立即切断LCD显示屏的电源，同时令CPU进入“完全睡眠”的模式，此时，产品完全处于睡眠的状态，可达到最大地节省电池电量的目的。进入“完全睡眠”模式的便携式产品，仍然可由外部中断或上电复位等操作进行唤醒，从而进入全速运行的状态。

3. 电池电量的实时管理

在产品待机状态下，便携式产品的操作系统还应该具备电池电量管理的功能。系统通过A/D口随时检测电池的当前电量，当电池的端电压低于某个设定的警告值时(2节NiMH电池是2.10V，锂离子电池是3.20V)，系统随即发出声光报警，提醒用户及时对电池进行充电；若用户仍然继续使用，电池的电量则会继续下降，当电池的端电压低于某个设定的值时(2节NiMH电池是2.00V，锂离子电池是3.10V)，系统随即强制关机，以便对电池进行有效保护，避免过放电，从而影响电池的使用寿命，同时CPU对SRAM中存储的数据进行处理，以避免客户的资料永久丢失。

作者：杨宇华

产品副理

诠鼎科技