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用于高性能便携式电子设备的低功耗性能

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作者:John Ardizzoni


自从对讲机和调幅(AM)收音机面世以来,我们都经过了一个漫长的岁月。现在单功能设备已经不再流行;便携式电子设备兼备“高级功能”已成为时尚。例如手表也是一种电视(TV)遥控器;手机还具有数码照相机和计算器功能;MP3播放器具有收音机、存储设备和电子相册功能;掌上电脑(PDA)具有日历、照相机、手机和游戏机功能;更多的例子不胜枚举。有时我们很难记住这些设备的基本功能究竟是什么。当我们为这些设备增加越来越多的功能时,也给供电电源带来越来越大的负担。

我们并不打算使用汽车蓄电池为这些附加功能供电,甚至使用多节工作几天的AA型(指5号电池)和AAA型(指7号电池)电池以及9 V电池。现今电子设备选用的电池是锂离子充电电池。它们具有快速充电时间同时提供数小时的工作时间和几周的待机时间。我们已经开发出的电源管理和电池监测电路新产品系列,主要用来有效地管理电源以延长电池工作时间。电源管理和电池技术的进步有助于延长电池寿命,但它们仅是起一部分作用。真正的措施是提高实际的半导体器件效率,能以较少的功耗提供更多的功能。人们要求当今半导体器件降低工作电压,提供更宽的带宽、更快的开关、更多的字节、更小的失真并且使用更低的功耗。

视频功能正在成为当今许多便携式电子设备的常见功能,例如个人多媒体播放器和蜂窝手机。然而,手持设备显示屏的尺寸和分辨率限制了其多人共看电视的能力,所以我们需要视频输出功能,但这种新功能却需要额外的电池消耗。这些设备的视频输出通常属于辅助功能,所以在正常工作期间其视频驱动器通常应该关闭。由于这种原因,当评估视频放大器或视频驱动器时其工作电流和待机电流都成为重要参数。

为了更加透彻地分析当今工程师所面临的挑战,我们介绍两个设计案例。在第一个案例中,我们讨论MP3播放器视频输出部分的设计要求,该案例的主要设计考虑是工作电流和印制电路板(PCB)面积。第二个案例主要考虑涉及待机电流的低功耗缓冲器应用。

具有视频输出的MP3播放器
本设计为MP3播放器增加了复合视频输出级电路。该电路必须提供一个带低通滤波和6 MHz最小带宽的2倍增益功能,采用3 V电源同时要求小于3 mA的静态电流和小于15µA的待机电流,并且要求占用最小的PCB面积。成本总是需要考虑的因素,但是下面的两项设计案例暂不考虑。

图1示出典型的视频输出级电路。其中视频放大器和滤波器由视频数模转换器(DAC)和解码器的输出驱动。这里使用ADV7190或ADV7191。这里的视频输出级电路使用一只运算放大器和几只分立元件构成一个双极点Sallen-Key低通滤波器。运算放大器提供2倍增益驱动75Ω的视频负载。这种重构滤波器有助于消除视频DAC采样过程中产生的多重镜像。

图1. 使用分立重建滤波器构成的视频DAC
图1 使用分立重建滤波器构成的视频DAC

表1提供了多种支持便携式设备视频输出的放大器和滤波器的选择关系矩阵。这些器件特别适合于低功耗应用。

表1. 放大器和滤波器表

产品型号

电源电压(V)

工作电流(mA)

待机电流(µA)

带宽(MHz)

封装

ADA4850

2.7 ~ 6.0

2.4

0.015

175 

LFCSP

ADA4851

2.7 ~ 12

2.4

0.2

130 

SOT23

ADA4853

2.7 ~ 5.0

1.3

10

100 

SC70

ADA4430

2.5 ~ 6.0

2

0.2

SC70

每种放大器都为设计工程师提供了不同的技术指标。ADA4850具有低工作电流和极低的待机电流(15 nA)并且采用超小型LFCSP封装形式。这种低的待机电流在要求低毫安小时(mAhr)电池应用中非常有用,并且将在下一个案例中对此进行讨论。ADA4851具有与ADA4850相同的工作电流,但其电源电压范围较宽并且具有中等的待机电流。ADA4853提供了表1中所有放大器中最低的工作电流以及低待机电流。ADA4853是最关注低功耗应用的理想选择。ADA4430是一种全集成的滤波器和放大器解决方案,它具有低工作电流和低待机电流并且无需外部元件。

虽然ADA48xx放大器系列可提供优异的工作性能,但它们需要额外的元件才能满足本案例的设计要求。一种取代分立滤波器的解决方案是ADA4430带有增益单元的全集成滤波器。如图2所示,这是采用ADA4430全集成滤波器代替分立解决方案的简化设计。

图2. 使用ADA4430集成放大器和滤波器构成的视频DAC
图2. 使用ADA4430集成放大器和滤波器构成的视频DAC

对于上述两种解决方案,工程师必须在电路性能、功耗电流和外形尺寸方面进行权衡。ADA4853也是适合于这种应用的理想器件并且具有比ADA4430更低的功耗,但是ADA4430使用较少的外部元件即可满足所有的目标应用,这使它成为本应用的首选器件。

超低功耗缓冲器
这种应用适合便携式娱乐设备中采用的25 MHz时钟缓冲电路。本案例主要的设计要求是待机电流。本应用的供电电源使用只提供87 mAhr的锌空气电池。主要技术指标包括:< 0.1µA的待机电流(分配给这部分电路的总待机电流仅为10µA),小封装,3 V单电源,< 3 mA电源电流,1 cm2总PCB面积以及100 MHz带宽。 

传统方法使用外部场效应(FET)调整管以满足待机电流< 0.1µA的要求(如图3所示),但是这会增加元件数量并且占用超出为该电路分配的宝贵的PCB面积。如果使用诸如ADG842模拟开关代替FET及其外围电路简虽然会化设计,但是仍然会增加PCB面积。

图3. 待机电路
图3. 待机电路

请再次参看表2,满足这种应用所有系统要求的放大器显然应选择ADA4850。ADA4850允许设计工程师无需使用外部FET调整管及其外围电路,从而简化了设计,并且减小了PCB面积以满足1 cm2分配面积的要求。

当设计工程师为了满足系统设计指标要求选择器件和电路体系结构时,总是不断面临挑战并且必须权衡所有可能的选择。用工作电流换取待机电流的能力,反之,用性能换取价格、尺寸和简化的能力都是便携式电子设备设计规则中经常要考虑的问题。

随着便携式电子设备尺寸的不断减小和制造商不断为这些设备增加功能,半导体器件供应商不断地努力开发出提供高效率的芯片,并且增加每种芯片的集成度和功能。这种不断的演进将使未来的设计工程师能够使用减小封装尺寸、提高工作速度、降低电源电压和电流的新器件为下一代便携式电子设备的终端客户提供更高的价值。

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