關(guān)于便攜式設(shè)備中降低視頻系統(tǒng)功耗延長(zhǎng)電池使用時(shí)間分析

摘要：對(duì)延長(zhǎng)手持式視頻系統(tǒng)的電池使用時(shí)間而必須降低視頻系統(tǒng)的工作和待機(jī)功耗迸行研討，并對(duì)低功耗視頻系統(tǒng)芯片特性作介紹。 敘詞：便攜式設(shè)備 視頻系統(tǒng) 鋰離子電池 降低功耗 Abstract：This paper will extend the hand-held video system for the battery life time must be reduced video systems work and the issue of standby power consumption into line discussions, as well as low-power chip features an introductory video system. Keyword：Portable devices, Video systems, Lithium-ion battery, Reduce power
1前言

便攜式設(shè)備中，低功耗一直是重中之重。考慮到越來(lái)越高的能源成本和全球變暖問(wèn)題，墻上適配器供電的設(shè)備也越來(lái)越注重功耗問(wèn)題。因此，發(fā)展趨勢(shì)是在模擬芯片中集成更加智能的電源管理電路。對(duì)于視頻濾波放大器，不但功耗要低，而且還應(yīng)該具備視頻負(fù)載檢測(cè)、視頻輸入檢測(cè)和控制電路，以便控制相應(yīng)的工作模式。

越來(lái)越多的便攜式設(shè)備，例如數(shù)碼相機(jī)、蜂窩電話和便攜式媒體播放器等，都開(kāi)始逐漸增加復(fù)合視頻輸出的連接功能。這類設(shè)備中，連接在視頻數(shù)／模轉(zhuǎn)換器(DAC)之后的視頻濾波放大器產(chǎn)生視頻信號(hào)。如現(xiàn)有3.3V視頻濾披放大器處理視頻信號(hào)時(shí)，功耗為45W。

視頻輸出功能正在成為當(dāng)今許多便攜式電子產(chǎn)品的常見(jiàn)功能。由于這種功能通常屬于輔助功能，在正常工作期間視頻驅(qū)動(dòng)器一般處于關(guān)閉狀態(tài)，所以在評(píng)估視頻放大器或視頻驅(qū)動(dòng)器時(shí)，工作電流和待機(jī)電流將是關(guān)鍵的參數(shù)。于是電池使用時(shí)間是便攜設(shè)備的關(guān)鍵，這里首先要考慮低視頻系統(tǒng)IC的功耗。出于這一考慮，如新一代視頻濾波放大器能夠工作在1.8V電壓，功耗僅為12mW，功耗降低了近70%。

據(jù)此，我們將對(duì)為延長(zhǎng)手持式視頻系統(tǒng)的電池使用時(shí)間而必須降低視頻系統(tǒng)的工作和待機(jī)功耗的問(wèn)題迸行研討，并對(duì)低功耗視頻系統(tǒng)芯片特性作介紹。為此，首先應(yīng)了介用于視頻系統(tǒng)的電池基本特性，這是本文研討內(nèi)容的前提。

2 手持-視頻系統(tǒng)應(yīng)用中電池特征與能量消耗的基本理念

2.1手持-視頻系統(tǒng)應(yīng)用中的電池特征

⑴　電池的電路模型

鋰離子電池是一款高密度的能量存儲(chǔ)器件，其電路模型可簡(jiǎn)化為：只能工作在0℃-50℃溫度范圍，帶有有效串聯(lián)電阻(ESR)，有巨大容值的非線性時(shí)變電容,其電容值和ESR值依賴于電池的電壓、電流和溫度。擊穿電壓為4.3V，過(guò)充會(huì)縮短其壽命。

⑵　鋰離子電池包的內(nèi)部電子線路,見(jiàn)圖1(a)所示

鋰離子電池包至少包含1片安全芯片和1片雙MOSFET管,至少包含2只引腳，一般情況下具有3只到4只引腳，很多還有其它功能，如電量計(jì)，真?zhèn)坞姵氐淖R(shí)別IC，NTC熱敏電阻，ID電阻。

(a)

(b)

圖1(a)鋰離子電池電池包的內(nèi)部電子線路示意圖；(b)鋰離子電池充電曲線圖

⑶　鋰離子電池充電曲線見(jiàn)圖1(b)所示

開(kāi)始用恒流充電(CC-Constant Current),然后以恒壓給電池充電(CV-ConstantVoltaqe),當(dāng)充電電流降至CC電流的3％to10％的范圍時(shí)結(jié)束充電(EOC-End of Charge)。典型的CC電流設(shè)在0.5C到1.0C之間，不要高于1.5C,更高的恒流充電電流會(huì)縮短恒流充電時(shí)段，同時(shí)延長(zhǎng)恒壓充電時(shí)段。

⑷　鋰離子電池充電的其它要求

充電溫度范圍0℃to50℃；充電時(shí)間，若以1C的恒流充電率，則總充電時(shí)間不應(yīng)超過(guò)3小時(shí)，如果所需時(shí)間比預(yù)期的長(zhǎng)，則停止(充電周期限時(shí))；高精度的4.1V或4.2V±50mV，切勿過(guò)充；過(guò)放電池的充電,-VBATVMIN時(shí)實(shí)施涓流充電／預(yù)充；自動(dòng)重啟充電周期，指示信號(hào)。

⑸　電池容量／電池壽命和充電電壓

充電電壓上升1％，則初始容量增加5％；長(zhǎng)期處于高壓情況下，電池老化的速度會(huì)更快；4.2V充電的電池壽命為500次；過(guò)充會(huì)縮短電池壽命，產(chǎn)生故障，并引發(fā)安全隱患；充電不足可以延長(zhǎng)電池壽命。

⑹　過(guò)充和過(guò)放的危害

過(guò)充可以提高初始容量，但縮短電池壽命；過(guò)充或過(guò)放會(huì)導(dǎo)致電池芯容量的不可恢復(fù)性下降；如果過(guò)充，可能引發(fā)泄漏或者著火，甚至是爆炸。

⑺　保存時(shí)間

不同存放溫度時(shí)的容量變化：

0℃時(shí)，對(duì)40％滿充—年后電量減少2％；對(duì)100％滿充—年后電量減少6％；

25℃時(shí)，對(duì)40％滿充一年后電量減少4％；對(duì)100％滿充—年后電量減少20％；

40℃時(shí)，對(duì)40％滿充一年后電量減少15％；對(duì)100％滿充—年后電量減少35％；

60℃時(shí)，對(duì)40％滿充一年后電量減少25％；對(duì)100％滿充—年后電量減少40％。

長(zhǎng)期存放超過(guò)兩個(gè)月，應(yīng)將電池放置于陰涼處并且半充滿電池。

⑻　鋰電池特性小結(jié)

應(yīng)該說(shuō)電池壽命是便攜設(shè)備中最重要的用戶需求，即使用戶渴望先進(jìn)的多媒體功能，他們也不愿意得到這些功能而放棄長(zhǎng)使用時(shí)間（如手機(jī)通話的時(shí)間）及待機(jī)時(shí)間。然而即便設(shè)計(jì)師延長(zhǎng)了電池壽命，但正面臨“新的需求”而會(huì)增加消耗更多功率。盡管電池技術(shù)在近幾年在不斷的進(jìn)步，但改進(jìn)效率的技術(shù)是在IC設(shè)計(jì)廠商面臨的新任務(wù)，即更低的功率消耗，允許更好的功率管理。

2.2電池能量消耗的基本理念

簡(jiǎn)單地說(shuō)，每個(gè)電路的功耗包括自身工作的損耗和驅(qū)動(dòng)負(fù)載的損耗。圖1中，電源為電路提供總電流(IT)，其中IQ是運(yùn)算放大器的靜態(tài)電流，IL是負(fù)載電流。電流和電源電壓相乘得出功率。首先按照以下公式計(jì)算靜態(tài)功耗(PQ)、負(fù)載功耗(PL)以及總功耗(PT)：

為降低實(shí)際消耗的功率，必須同時(shí)減小PQ和PL。減小VDD、IQ和IL都可以達(dá)到這一目的。通常情況下，IC數(shù)據(jù)資料會(huì)給出IQ或PQ參數(shù)，但很少提到典型信號(hào)和典型負(fù)載條件下的平均功耗。對(duì)于便攜式視頻濾波放大器，由于電路不是處于關(guān)斷狀態(tài)，就是完全開(kāi)啟(即定義為當(dāng)視頻濾波放大器為負(fù)載提供視頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)的時(shí)候)，因此，PQ幾乎是無(wú)用信息。

沒(méi)有視頻負(fù)載時(shí)，為了節(jié)省電池能量，應(yīng)關(guān)斷視頻濾波放大器；如果在沒(méi)有視頻負(fù)載時(shí)開(kāi)啟視頻濾波放大器，會(huì)造成電池能量的浪費(fèi)。

3 3.3V視頻濾波放大器的低功耗技術(shù)與典型芯片特征舉例

典型的視頻驅(qū)動(dòng)架構(gòu)采用交流耦合或直流耦合方案。通過(guò)采用輸入輸出電容，交流耦合可消除傳輸線上的直流電壓，并隔離發(fā)送和接收系統(tǒng)的接地點(diǎn)，從而簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。但是，這些電容會(huì)降低信號(hào)質(zhì)量，為將對(duì)信號(hào)質(zhì)量的影響減到最小，輸出電容必須在數(shù)百μF的

數(shù)量級(jí)。直流耦合無(wú)需輸出電容，這對(duì)價(jià)格敏感的大批量產(chǎn)品特別有吸引力，但在輸入信號(hào)存在正負(fù)擺動(dòng)時(shí)，需要額外的負(fù)電源來(lái)提供能容納信號(hào)正負(fù)擺動(dòng)的公共輸入電壓范圍。

如凌力爾特公司用于單電源應(yīng)用的3路視頻放大器LT6557具有0.8V電源軌的寬輸出擺幅，是一款能在采用5V單電源工作時(shí)提供全視頻擺幅的寬帶RGB放大器，具有500MHz 3dB帶寬、2200V／s轉(zhuǎn)換速率和4ns的建立時(shí)間。

3.1 3.3V視頻濾波放大器向負(fù)載提供視頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)時(shí)功耗增大

通過(guò)MAX9502、OPA360、MAX9503三種視頻濾波放大器的平均功耗和靜態(tài)功耗的比較可知功耗增大的問(wèn)題。它們的指標(biāo)分別如下：

①　平均電流：MAX9502為13.5mA,OPA360為12.2mA,MAX9503為13.2mA；

②　平均功耗：MAX9502為44.6mW,OPA360為40.1mW,MAX9503為43.4mW；

③　IQ：MAX9502為5.3mA,OPA360為6mA,MAX9503為12mA；

④　PQ：MAX9502為17.5mW,OPA360為19.8mW,MAX9503為39.6mW；

⑤輸出方式：MAX9502為正向直流偏置,OPA360為負(fù)向直流偏置,MAX9503為DirectDrive技術(shù)。

其平均功耗的定義是視頻濾波放大器以50％平均視頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)150Ω對(duì)地負(fù)載時(shí)的功耗。50％平均信號(hào)作為典型的視頻信號(hào)，在電視上顯示為灰屏(PL取決于圖像內(nèi)容，黑屏?xí)r功耗最低，白屏?xí)r功耗最大)。注意，盡管元件的PQ差別很大，平均功耗卻非常接近。

將視頻信號(hào)驅(qū)動(dòng)至視頻負(fù)載造成功耗增大，這在很大程度上取決于視頻放大器的輸出方式。MAX9502輸出視頻信號(hào)采用了正向直流偏置。維持輸出信號(hào)的正向直流偏置會(huì)使總功耗增大。因此，MAX9502必須供出大約8.7mA的電流。

OPA360的輸出可以配合SAG網(wǎng)絡(luò)工作，它由兩個(gè)交流耦合電容組成，見(jiàn)圖2所示。這些電容阻斷了輸出和負(fù)載之間的直流連接。因此，放大器不需要源出或吸人維持輸出偏置的電流，從而降低了功耗。為此從OPA360技術(shù)特征中可知。

圖2 OPA360的輸出可以配合SAG網(wǎng)絡(luò)工作示意圖

3.2 OPA360芯片有效降低功耗的技術(shù)特征

新型3V視頻放大器可增強(qiáng)視頻輸出性能并縮減板級(jí)空間。該視頻放大器系列在其小巧的SC70封裝中提供了高層次的特色／集成。倚仗其的集成關(guān)斷功能、6db雙極點(diǎn)低通濾波器及SAG校正，低功耗視頻設(shè)備在縮減成本和板級(jí)空間的同時(shí)更提升了其視頻性能。SAG校正的運(yùn)用使得能夠?qū)⑤敵鲴詈想娙萜鲝囊粋€(gè)較大的470μF電容器改換成兩個(gè)數(shù)值較小的電容器，見(jiàn)圖2所示，從而使外形尺寸和成本得以大大縮減。50mV電平轉(zhuǎn)換器允許輸出DC耦合，并不產(chǎn)生削波失真，從而在5mm2的總體解決方案面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)了最佳的視頻性能。

從圖2可知，對(duì)于50％平均信號(hào)，由于電容阻斷了輸出和負(fù)載之間的直流連接，因此，OPA360應(yīng)用電路可有效降低功耗。其OPA360芯片主要特點(diǎn)為：
①卓越的視頻性能：0.5dB增益平坦度為35MHz,差分增益為0.02％，差分相位為0．05º；
②單位增益帶寬為5MHz；
③高回轉(zhuǎn)速率：100V／μs；
④輸入范圍包括地；
⑤軌至軌輸出；
⑥低功耗6mA{開(kāi)啟時(shí))，2。5μA(停機(jī)時(shí))；
⑦單電源工作范圍：2．7Vto3．3V；
⑧封裝型式：微型封裝SC70。

OPA360可在數(shù)碼相機(jī)、帶視頻功能的移動(dòng)電話、便攜式媒體播放機(jī)、機(jī)頂盒視頻濾波器、及數(shù)字電視上獲得應(yīng)用。

3.3利用Maxim的DirectDrive技術(shù)

MAX9503能夠輸出接近零直流偏置的視頻信號(hào)，無(wú)需任何交流耦合電容。由于片內(nèi)反向電荷泵可產(chǎn)生負(fù)電壓，因此，這一技術(shù)使MAX9503能夠輸出地電平以下的信號(hào)。盡管DirectDrive增大了PQ，但由于PL降低，MAX9503的平均功耗能夠與MAX9502和OPA360保持在同一水平。由于直流偏置接近地電平，MAX9503只需源出較小的電流。

3.4 THS7353型三通道視頻功率放大器

該放大器帶可選擇濾波器，2：1輸入多路復(fù)用及外置增益控制。

高性能流式媒體技術(shù)涵蓋了眾多的數(shù)字媒體和新興的基于媒體的技術(shù)，包括將視頻、話音和數(shù)據(jù)內(nèi)容集成到許多新的多樣應(yīng)用中，從而徹底改變數(shù)字媒體內(nèi)容的交付方式。

在流式媒體所面臨的諸多挑戰(zhàn)中，包括實(shí)時(shí)性能、較高的通道密度以及用于在橫跨有線和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的情況下實(shí)現(xiàn)視頻、話音和數(shù)據(jù)流的同時(shí)處理的軟件編程靈活性。典型的數(shù)字媒體處理功能包括媒體流的編碼和解碼、代碼轉(zhuǎn)換(從一種格式轉(zhuǎn)換至另叫種格式)以及數(shù)據(jù)流的速率變換(從較高的位速率變至較低的位速率)，旨在適應(yīng)各種各樣的系統(tǒng)級(jí)相關(guān)性。其他的處理功能包括媒體流的壓縮、解壓縮、加密、包化和傳送。

如視頻放大器THS7327集成了三個(gè)模擬視頻通道與兩個(gè)用于HV同步的數(shù)字通道，大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)并減少了組件數(shù)量。可編程濾波器與輸入偏置模式能滿足所有信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)所需的通用模擬信號(hào)調(diào)節(jié)要求。以其典型芯片THS7353型作介紹。

THS7353是低功耗、三通道集成視頻緩沖器，其構(gòu)成采用了BCOM-111處理。芯片集成了可選擇性5階巴特沃斯(Butterworth)抗混淆(anti-aliaslng)／DAC重建濾波器以消除數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成像。每一個(gè)通道都可單獨(dú)的通過(guò)配置。其軌至軌輸出級(jí)允許交流及直流耦合應(yīng)用，外置控制增益調(diào)節(jié)引腳允許精確的調(diào)節(jié)增益，例如線性驅(qū)動(dòng)、補(bǔ)償以用于纜線損耗或Sin-X／X補(bǔ)償。

THS7353主要特點(diǎn)為：三通道視頻放大，用于CVBS、S-Video、YUV、SD／ED／H丫PBPR及RGB;控制所有功能;集成低通濾波器;可選擇輸入偏壓模式;2：1輸入多路復(fù)用允許多輸入源;外置增益控制范圍0dB至14dB;單電源供電2.7V至5V;低靜態(tài)電流16.2mA;差動(dòng)增益/相位0.15％／0.3°.

THS7353應(yīng)用：可用在HDTV視頻緩沖,PVR／DVD日輸出緩沖,投影儀視頻緩沖及USB／便攜式視頻緩沖等方面.

4 新一代視頻濾波/緩沖器的低功耗產(chǎn)品

手機(jī)或者PMP中的視頻內(nèi)容越來(lái)越多，這些設(shè)備中要求具有復(fù)合視頻輸出和／或S視頻輸出。用在這些設(shè)備中的視頻緩沖器可從模擬標(biāo)準(zhǔn)清晰度視頻濾波器MAX9508得到好處。MAX9508采用了信號(hào)有效負(fù)載檢測(cè)技術(shù)，在沒(méi)有驅(qū)動(dòng)信號(hào)時(shí)，它能自動(dòng)使視頻輸出無(wú)效。智能睡眠（Smart Sleep）技術(shù)能盡量延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間，并提供高頻率的EMI濾波,見(jiàn)圖3所示。

圖3 智能睡眠（Smart Sleep）技術(shù)能盡量延長(zhǎng)電池的使用時(shí)間，并提供高頻率的EMI濾波示意圖

在有關(guān)視頻應(yīng)用的設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)工程師必須注意整個(gè)產(chǎn)品解決方案的成本，而不僅是芯片的成本。飛兆半導(dǎo)體(Fairchild)的超便攜式視頻濾波驅(qū)動(dòng)器FMS6151可把手機(jī)視頻圖像驅(qū)動(dòng)到電視、計(jì)算機(jī)顯示器上。對(duì)于性能要求更高的應(yīng)用，該器件的5階8MHz SD濾波器可以改善圖像質(zhì)量，而低至3．8mA的電源電流(關(guān)斷時(shí)僅為25nA)可延長(zhǎng)電池壽命。

4.1低功耗視頻開(kāi)關(guān)TS5V330

有時(shí)被稱為視頻點(diǎn)唱機(jī)、便攜式媒體播放機(jī)或便攜式視頻播放機(jī)的便攜式多媒體自動(dòng)選曲機(jī)是頗受消費(fèi)者和消費(fèi)類電子產(chǎn)品制造商關(guān)注的市場(chǎng)。這些通常基于硬盤驅(qū)動(dòng)器的設(shè)備能夠保存幾千小時(shí)的節(jié)目?jī)?nèi)容，并為消費(fèi)者提供適合于當(dāng)今“移動(dòng)式”生活方式的娛樂(lè)享受。雖然這些產(chǎn)品的市場(chǎng)眼下還不太大，但是該市場(chǎng)將漸成氣候卻是業(yè)界的共識(shí)。值此介紹其視頻開(kāi)關(guān)TS5V330。

TS開(kāi)關(guān)產(chǎn)品系列中的視頻開(kāi)關(guān)提供了低差分增益和相位。使得它們成為復(fù)合及RGB視頻應(yīng)用的理想選擇。TS視頻開(kāi)關(guān)還提供了支持高頻視頻應(yīng)用所需的大帶寬和低串?dāng)_。圖4為多路視頻信號(hào)從視頻圖形處理器傳輸至VSA的外置視頻端口示意圖。

圖4 多路視頻信號(hào)從視頻圖形處理器傳輸至VSA的外置視頻端口示意圖

主要特點(diǎn)為：低差分增益和相位(3V DG=0.82％．Dp=0.1*典型值)、(5VDG=0.64％，Dp=0.1*典型值)；寬帶寬(BW=300MHz最小值)；低串?dāng)_(3VXTALK=-80dB典型值)、(5VXTAL=-63dB典型值)；低功耗(Icc=3μA最大值)；具有近零傳播延遲的雙向數(shù)據(jù)流；低通態(tài)電阻(rON=3Ω典型值)；數(shù)據(jù)I/O端口上的軌至軌開(kāi)關(guān)操作(0V至Vcc)；Ioff支持部分?jǐn)嚯娔Ｊ讲僮?；適合RGB和復(fù)合視頻開(kāi)關(guān)，可在復(fù)合及RGB視頻上應(yīng)用。

4.2應(yīng)用DirectDrive技術(shù)的1.8V視頻濾波放大器

MAX9509是Maxim新一代視頻濾波放大器系列的首款器件，大大降低了平均功耗和PQ，如圖5所示。圖5的MAX95091.8應(yīng)用電路處理50％平均信號(hào)，大大降低了功耗。其電源電壓(VDD)由3.3V降到了1.8V，1.8V是移動(dòng)電話正在逐漸使用的數(shù)字I／O電壓；靜態(tài)電源電流(IQ)也由12mA降到了3.1mA。

圖5 新一代視頻濾波放大器系列的首款器件，大大降低了平均功耗和PQ

當(dāng)視頻濾波放大器采用1.8V電源電壓工作時(shí)，必須采用DirectDrive技術(shù)。采用電壓模式輸出級(jí)的放大器必須至少提供2Vp-p擺幅，才能輸出復(fù)合視頻信號(hào)。傳統(tǒng)的放大器采用1.8V單電源供電時(shí)，沒(méi)有足夠的余量產(chǎn)生2Vp-p輸出信號(hào)。而采用DirectDrive后，集成反向電荷泵將產(chǎn)生一個(gè)嘈雜的1.8V電壓；負(fù)電壓線性穩(wěn)壓器將-1.8V電壓穩(wěn)定到-lV，降低了電荷泵噪聲。因此，實(shí)際采用1V至+1.8V的電壓供電時(shí)，MAX9509剛好有足夠的余量輸出2Vp-p視頻信號(hào)。

MAX9509采用低電壓、低IQ的DirectDrive輸出級(jí)，器件平均功耗大大低于3．3V器件的功耗。更值得注意的是，MAX9509平均功耗低于3.3V視頻濾波放大器的PQ。需要注意的是，在如此低的電壓下電路高速工作，噪聲將大大增加，因?yàn)榇藭r(shí)電路的工作電流要比正常情況低。MAX9509考慮了噪聲問(wèn)題，該器件具有極佳的峰值信噪比(SNR)，達(dá)到64dB，足以滿足消費(fèi)類產(chǎn)品的要求。為了使電視屏幕顯示清晰的圖像，峰值SNR應(yīng)該在40dB左右。將充滿噪聲的電荷泵與濾波器和放大器放置在同一芯片是重要的新技術(shù)。電荷泵有可能向敏感的視頻信號(hào)上引入開(kāi)關(guān)噪聲。把MAX9509的電荷泵與視頻信號(hào)通路隔離開(kāi)可以有效解決這個(gè)問(wèn)題，得到極低的電荷泵噪聲頻域特性，而且從時(shí)域特性也幾乎觀察不到噪聲。

消費(fèi)者在屏幕上觀察MAX9509的輸出信號(hào)時(shí)，既不會(huì)看到寬帶噪聲，也不會(huì)看到電荷泵噪聲。

5 結(jié)束語(yǔ)

以上分析可知，雖然低功耗視頻濾波放大器的開(kāi)發(fā)工作已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，但I(xiàn)C設(shè)計(jì)人員還有許多工作要做，例如，視頻負(fù)載檢測(cè)。如果視頻濾波放大器具有負(fù)載電子檢測(cè)功能，并為微控制器系統(tǒng)提供負(fù)載狀態(tài)，只在出現(xiàn)有效的視頻負(fù)載時(shí)開(kāi)啟視頻輸出電路，即可進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的智能化視頻功耗管理?！?/p>