一、真待機(jī)、低功耗的意義

　　胡錦濤總書記在“十七大”報(bào)告中指出，堅(jiān)持節(jié)約資源和保護(hù)環(huán)境的基本國策，關(guān)系人民群眾切身利益和中華民族生存發(fā)展。必須把建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)放在工業(yè)化、現(xiàn)代化發(fā)展戰(zhàn)略的突出位置，落實(shí)到每個(gè)單位、每個(gè)家庭。要完善有利于節(jié)約能源資源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的法律和政策，加快形成可持續(xù)發(fā)展體制機(jī)制。

　　國家的整體轉(zhuǎn)換政策將使得一億多有線電視用戶在今后的幾年陸續(xù)使用上有線數(shù)字機(jī)頂盒。當(dāng)前市場上的機(jī)頂盒工作功耗一般為10～15W，其中絕大部分的機(jī)頂盒沒有“真待機(jī)”功能，待機(jī)狀態(tài)下的功耗和工作功耗幾乎是一樣的。一臺(tái)機(jī)頂盒平均每天待機(jī)二小時(shí)將耗費(fèi)0.023度電。國內(nèi)當(dāng)前有線數(shù)字機(jī)頂盒保有量 2600萬臺(tái)，一年的待機(jī)耗電2.18億度，超過了一個(gè)中型火力發(fā)電廠一年的發(fā)電總量。如果完成數(shù)字電視整體轉(zhuǎn)換，國內(nèi)有線機(jī)頂盒保有量將超過1.52億臺(tái)（不包括家庭第二臺(tái)機(jī)的需求），一年的待機(jī)耗電將達(dá)12.76億度。

　　而且，機(jī)頂盒如果以非真待機(jī)”狀態(tài)下待機(jī)，機(jī)頂盒內(nèi)部的元器件依舊處于工作狀態(tài)，這樣降低了整機(jī)的預(yù)期壽命。例如，電解電容，處于工作狀態(tài)時(shí)電解液的揮發(fā)速度遠(yuǎn)高于非工作狀態(tài)，縮減了實(shí)際使用壽命。

　　二、如何降低機(jī)頂盒的工作功耗

　　如圖1機(jī)頂盒系統(tǒng)框圖，機(jī)頂盒在工作狀態(tài)，各元器件模塊的功耗為：

　?。?）主芯片：不同廠家的產(chǎn)品功耗差異較大，市場上的主流產(chǎn)品工作功耗從500mW到1500mW不等。

　　（2）AC-DC電源模塊：一般電源模塊的效率在70%-85%之間，即15%-30%的整機(jī)功率被電源模塊本身消耗了。主要影響效率的因素是PWM開關(guān)速率、整流管正向?qū)妷?、電解電容漏電流等。提升電源效率對整機(jī)功耗的影響比較大，比如從70%上升到85%，電源模塊的損耗就減少了一半。但是進(jìn)一步提升效率則會(huì)變得困難。要將85%的效率提升到90%甚至更高，往往需要更高效的器件、更復(fù)雜的電路并忍受更難克服的EMI問題。因此改善電源效率在一定程度上有較好的效果，但是也有其局限性。

　　（3）調(diào)諧器：工作狀態(tài)約消耗1-2W。待機(jī)時(shí)可以完全關(guān)斷。

　　（4）紅外接收、和按鍵板：功率消耗不大，由紅外接收頭電流，按鍵導(dǎo)通電阻及其上下拉電阻等決定。一般都在0.1W甚至0.01W以下的數(shù)量級，可以忽略不計(jì)。

　　（5）智能卡：功率消耗由具體的智能卡方案決定，一般不超過1W。

　?。?）ram存儲(chǔ)器：工作狀態(tài)約消耗0.5～1.5W。待機(jī)時(shí)需要給電self-fresh，約消耗0.02W。

　　（7）Flash存儲(chǔ)器：工作狀態(tài)消耗約0.5-1W，待機(jī)狀態(tài)的功耗小于0.02W。由于是非易失存儲(chǔ)，待機(jī)時(shí)也可以關(guān)斷電源。

　　（8）EEPROM存儲(chǔ)器：工作狀態(tài)小于0.01W，由于是非易失存儲(chǔ)，待機(jī)時(shí)可以關(guān)斷電源。

　?。?）視頻濾波網(wǎng)絡(luò)：工作狀態(tài)約0.3-1W，待機(jī)時(shí)可以關(guān)斷電源。

　　（10）音頻放大電路：工作狀態(tài)約0.5-1W，待機(jī)時(shí)可以關(guān)斷電源。

　　可見，機(jī)頂盒的主要功耗在于電源模塊、主芯片和外圍器件。待機(jī)時(shí)外圍器件可以通過電源切換開關(guān)來關(guān)閉，關(guān)鍵是選用低功耗的主芯片、提高電源模塊的轉(zhuǎn)換效率。

　　圖1機(jī)頂盒系統(tǒng)框圖

　　三、沒有“真待機(jī)”功能的機(jī)頂盒是如何待機(jī)的

　　當(dāng)前市場上的絕大多數(shù)機(jī)頂盒在待機(jī)狀態(tài)時(shí)，僅僅禁止機(jī)頂盒的音視頻輸出，再把指示燈顯示為待機(jī)狀態(tài)即可，其余部件的狀態(tài)跟正常工作時(shí)相同，如圖2所示。這種待機(jī)方式電路設(shè)計(jì)簡單，但待機(jī)功耗是最大的，幾乎和機(jī)頂盒工作狀態(tài)的功耗相當(dāng)。比如一個(gè)正常工作時(shí)功耗為15W的機(jī)頂盒，待機(jī)時(shí)功耗仍然有13-15W。以這種方式待機(jī)的機(jī)頂盒能耗高，不具備真正意義的待機(jī)功能。

　　圖2：機(jī)頂盒待機(jī)狀態(tài)系統(tǒng)框圖（非真待機(jī)）

　　四、通過方案層面來實(shí)現(xiàn)“真待機(jī)”

　　如果主芯片本身沒有集成能耗管理模塊，可以通過方案層面來實(shí)現(xiàn)真待機(jī)。思路是：

　?。?）給機(jī)頂盒增加電源切換開關(guān)用以關(guān)閉/開啟外圍用電模塊，如給Tuner、音頻放大電路斷電/給電，電源切換開關(guān)原理如圖3所示。

　　圖3：電源切換模塊原理圖

　?。?）選用低功耗的主芯片

　?。?）盡量減少分離器件的功率消耗。比如在允許范圍內(nèi)選較大阻值的上拉電阻，選用功耗較小的晶振等。

　?。?）降低待機(jī)時(shí)的系統(tǒng)時(shí)鐘和CPU時(shí)鐘。這需要主芯片支持。

　?。?）提升AC-DC電源的效率。

　　如圖4所示，通過方案層面實(shí)現(xiàn)的“真待機(jī)”，紅外遙控接收模塊、電源、電源切換開關(guān)正常工作，按鍵和顯示面板模塊、CPU在低功耗狀態(tài)工作，剩余的其它部件處于斷電狀態(tài)。

　　圖4：機(jī)頂盒待機(jī)狀態(tài)系統(tǒng)框圖（真待機(jī)，在方案層面實(shí)現(xiàn)）

　　以當(dāng)前市場上主流的一款主芯片為例，用這款芯片在方案層面上通過增加電源切換開關(guān)、優(yōu)化AC-DC電源效率，能夠?qū)⒋龣C(jī)功耗降低到1W以下，實(shí)現(xiàn)真待機(jī)，能將工作功耗降低到8W以下，實(shí)現(xiàn)低功耗。但是難度在于：

　?。?）對電源要求較高。主芯片的功耗為0.9W，在待機(jī)狀態(tài)關(guān)閉音視頻輸出后，還有0.5W-0.6W。再加上SDRAM、紅外、按鍵等外圍器件，約 0.8W-0.9W之間，待機(jī)功耗約1W（80%-90%電源效率）。電源在待機(jī)時(shí)處于輕載狀態(tài)，很難達(dá)到這樣高的效率，需要采用更好的器件和更復(fù)雜的電路，這意味著更高的成本和技術(shù)難度。當(dāng)然，也可以把RAM、CPU關(guān)掉，功耗很容易降低。犧牲的就是啟動(dòng)時(shí)間，實(shí)際啟動(dòng)時(shí)間跟冷開機(jī)基本相同，約10s左右。

　?。?）另外，待機(jī)功率在0.85W以上時(shí)，難以保證批量制造的機(jī)頂盒待機(jī)功耗都小于1W。

　?。?）較高效率電源主要靠提升PWM開關(guān)切換速度，上升沿和下降沿變得更陡峭，EMI將成為需要重點(diǎn)關(guān)注的問題。

　　五、通過主芯片層面來實(shí)現(xiàn)“真待機(jī)”

　　通過主芯片層面來實(shí)現(xiàn)“真待機(jī)”，主要是在芯片內(nèi)部采用功率管理技術(shù)，在算法優(yōu)化、工作模式優(yōu)化、電源控制、時(shí)鐘控制和電路邏輯優(yōu)化等方式來降低芯片功耗。如采用電源島技術(shù)根據(jù)芯片當(dāng)前運(yùn)行任務(wù)區(qū)別對待，采用專用的低功耗IP，具有深度睡眠模式的CPU等，既能大大降低待機(jī)功耗，又能降低正常工作時(shí)的功耗。

　　如圖5所示，在待機(jī)時(shí)僅IR紅外接收模塊處于正常工作狀態(tài)，RAM、FLASH、EEPROM、CPU、電源、按鍵和顯示面板模塊進(jìn)入低功耗狀態(tài)，其余模塊關(guān)閉。

　　由于芯片設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)考慮了節(jié)電問題，可以在片內(nèi)進(jìn)行區(qū)別對待各模塊的供電，部分模塊關(guān)閉，部分模塊處于低功耗狀態(tài)。這樣電源以外系統(tǒng)可以降到 0.3-0.5W，即使電源模塊保持50%的效率，待機(jī)功耗也能達(dá)到1W以下的目標(biāo)。實(shí)際設(shè)計(jì)中，待機(jī)功耗約0.5-0.7W，完全滿足小于1W待機(jī)的要求，而整機(jī)工作功耗可以降低到5～6.5W。

　　圖5：機(jī)頂盒待機(jī)狀態(tài)系統(tǒng)框圖（真待機(jī)，在主芯片層面實(shí)現(xiàn)）

　　六、三種待機(jī)方式比較

　　如下表所示，通過芯片層面實(shí)現(xiàn)的“真待機(jī)”比通過方案層面來實(shí)現(xiàn)有著許多優(yōu)點(diǎn)，因此今后主芯片的發(fā)展趨勢之一就是本身具備“真待機(jī)、低功耗”功能。

　　作者：任建華 葉云杰

　　來源：海思半導(dǎo)體有限公司