关于便携式设备中降低视频系统功耗延长电池使用时间分析

1前言

便携式设备中，低功耗一直是重中之重。考虑到越来越高的能源成本和全球变暖问题，墙上适配器供电的设备也越来越注重功耗问题。因此，发展趋势是在模拟芯片中集成更加智能的电源管理电路。对于视频滤波放大器，不但功耗要低，而且还应该具备视频负载检测、视频输入检测和控制电路，以便控制相应的工作模式。
    
越来越多的便携式设备，例如数码相机、蜂窝电话和便携式媒体播放器等，都开始逐渐增加复合视频输出的连接功能。这类设备中，连接在视频数／模转换器(DAC)之后的视频滤波放大器产生视频信号。如现有3.3V视频滤披放大器处理视频信号时，功耗为45W。 
    
视频输出功能正在成为当今许多便携式电子产品的常见功能。由于这种功能通常属于辅助功能，在正常工作期间视频驱动器一般处于关闭状态，所以在评估视频放大器或视频驱动器时，工作电流和待机电流将是关键的参数。于是电池使用时间是便携设备的关键，这里首先要考虑低视频系统IC的功耗。出于这一考虑，如新一代视频滤波放大器能够工作在1.8V电压，功耗仅为12mW，功耗降低了近70%。 
    
据此，我们将对为延长手持式视频系统的电池使用时间而必须降低视频系统的工作和待机功耗的问题迸行研讨，并对低功耗视频系统芯片特性作介绍。为此，首先应了介用于视频系统的电池基本特性，这是本文研讨内容的前提。

2 手持-视频系统应用中电池特征与能量消耗的基本理念

2.1手持-视频系统应用中的电池特征 
   
 ⑴　电池的电路模型 
    
锂离子电池是一款高密度的能量存储器件，其电路模型可简化为：只能工作在0℃-50℃温度范围，带有有效串联电阻(ESR)，有巨大容值的非线性时变电容,其电容值和ESR值依赖于电池的电压、电流和温度。击穿电压为4.3V，过充会缩短其寿命。 
    
⑵　锂离子电池包的内部电子线路,见图1(a)所示 
    
锂离子电池包至少包含1片安全芯片和1片双MOSFET管,至少包含2只引脚，一般情况下具有3只到4只引脚，很多还有其它功能，如电量计，真伪电池的识别IC，NTC热敏电阻，ID电阻。

(a)

(b)

图1(a)锂离子电池电池包的内部电子线路示意图；(b)锂离子电池充电曲线图 
    
⑶　锂离子电池充电曲线见图1(b)所示 
    
开始用恒流充电(CC-Constant Current),然后以恒压给电池充电(CV-ConstantVoltaqe),当充电电流降至CC电流的3％to10％的范围时结束充电(EOC-End of Charge)。典型的CC电流设在0.5C到1.0C之间，不要高于1.5C,更高的恒流充电电流会缩短恒流充电时段，同时延长恒压充电时段。 
    
⑷　锂离子电池充电的其它要求 
    
充电温度范围0℃to50℃；充电时间，若以1C的恒流充电率，则总充电时间不应超过3小时，如果所需时间比预期的长，则停止(充电周期限时)；高精度的4.1V或4.2V±50mV，切勿过充；过放电池的充电,-VBAT    
⑸　电池容量／电池寿命和充电电压 
    
充电电压上升1％，则初始容量增加5％；长期处于高压情况下，电池老化的速度会更快；4.2V充电的电池寿命为500次；过充会缩短电池寿命，产生故障，并引发安全隐患；充电不足可以延长电池寿命。 
    
⑹　过充和过放的危害 
    
过充可以提高初始容量，但缩短电池寿命；过充或过放会导致电池芯容量的不可恢复性下降；如果过充，可能引发泄漏或者着火，甚至是爆炸。 
    
⑺　保存时间 
    
不同存放温度时的容量变化： 
    
0℃时，对40％满充—年后电量减少2％；对100％满充—年后电量减少6％； 
    
25℃时，对40％满充一年后电量减少4％；对100％满充—年后电量减少20％； 
    
40℃时，对40％满充一年后电量减少15％；对100％满充—年后电量减少35％； 
    
60℃时，对40％满充一年后电量减少25％；对100％满充—年后电量减少40％。 
    
长期存放超过两个月，应将电池放置于阴凉处并且半充满电池。 
    
⑻　锂电池特性小结 
    
应该说电池寿命是便携设备中最重要的用户需求，即使用户渴望先进的多媒体功能，他们也不愿意得到这些功能而放弃长使用时间（如手机通话的时间）及待机时间。然而即便设计师延长了电池寿命，但正面临“新的需求”而会增加消耗更多功率。尽管电池技术在近几年在不断的进步，但改进效率的技术是在IC设计厂商面临的新任务，即更低的功率消耗，允许更好的功率管理。

[page]2.2电池能量消耗的基本理念 
    
简单地说，每个电路的功耗包括自身工作的损耗和驱动负载的损耗。图1中，电源为电路提供总电流(IT)，其中IQ是运算放大器的静态电流，IL是负载电流。电流和电源电压相乘得出功率。首先按照以下公式计算静态功耗(PQ)、负载功耗(PL)以及总功耗(PT)： 
    
为降低实际消耗的功率，必须同时减小PQ和PL。减小VDD、IQ和IL都可以达到这一目的。通常情况下，IC数据资料会给出IQ或PQ参数，但很少提到典型信号和典型负载条件下的平均功耗。对于便携式视频滤波放大器，由于电路不是处于关断状态，就是完全开启(即定义为当视频滤波放大器为负载提供视频信号驱动的时候)，因此，PQ几乎是无用信息。 
    
没有视频负载时，为了节省电池能量，应关断视频滤波放大器；如果在没有视频负载时开启视频滤波放大器，会造成电池能量的浪费。

3 3.3V视频滤波放大器的低功耗技术与典型芯片特征举例 
    
典型的视频驱动架构采用交流耦合或直流耦合方案。通过采用输入输出电容，交流耦合可消除传输线上的直流电压，并隔离发送和接收系统的接地点，从而简化电路设计。但是，这些电容会降低信号质量，为将对信号质量的影响减到最小，输出电容必须在数百μF的

数量级。直流耦合无需输出电容，这对价格敏感的大批量产品特别有吸引力，但在输入信号存在正负摆动时，需要额外的负电源来提供能容纳信号正负摆动的公共输入电压范围。 
    
如凌力尔特公司用于单电源应用的3路视频放大器LT6557具有0.8V电源轨的宽输出摆幅，是一款能在采用5V单电源工作时提供全视频摆幅的宽带RGB放大器，具有500MHz 3dB带宽、2200V／s转换速率和4ns的建立时间。

3.1 3.3V视频滤波放大器向负载提供视频信号驱动时功耗增大 
    
通过MAX9502、OPA360、MAX9503三种视频滤波放大器的平均功耗和静态功耗的比较可知功耗增大的问题。它们的指标分别如下： 
    
①　平均电流：MAX9502为13.5mA,OPA360为12.2mA,MAX9503为13.2mA； 
    
②　平均功耗：MAX9502为44.6mW,OPA360为40.1mW,MAX9503为43.4mW； 
    
③　IQ：MAX9502为5.3mA,OPA360为6mA,MAX9503为12mA； 
    
④　PQ：MAX9502为17.5mW,OPA360为19.8mW,MAX9503为39.6mW； 
    
⑤输出方式：MAX9502为正向直流偏置,OPA360为负向直流偏置,MAX9503为DirectDrive技术。 
    
其平均功耗的定义是视频滤波放大器以50％平均视频信号驱动150Ω对地负载时的功耗。50％平均信号作为典型的视频信号，在电视上显示为灰屏(PL取决于图像内容，黑屏时功耗最低，白屏时功耗最大)。注意，尽管元件的PQ差别很大，平均功耗却非常接近。 
    
将视频信号驱动至视频负载造成功耗增大，这在很大程度上取决于视频放大器的输出方式。MAX9502输出视频信号采用了正向直流偏置。维持输出信号的正向直流偏置会使总功耗增大。因此，MAX9502必须供出大约8.7mA的电流。 
    
OPA360的输出可以配合SAG网络工作，它由两个交流耦合电容组成，见图2所示。这些电容阻断了输出和负载之间的直流连接。因此，放大器不需要源出或吸人维持输出偏置的电流，从而降低了功耗。为此从OPA360技术特征中可知。

图2 OPA360的输出可以配合SAG网络工作示意图

3.2 OPA360芯片有效降低功耗的技术特征 
    
新型3V视频放大器可增强视频输出性能并缩减板级空间。该视频放大器系列在其小巧的SC70封装中提供了高层次的特色／集成。倚仗其的集成关断功能、6db双极点低通滤波器及SAG校正，低功耗视频设备在缩减成本和板级空间的同时更提升了其视频性能。SAG校正的运用使得能够将输出耦合电容器从一个较大的470μF电容器改换成两个数值较小的电容器，见图2所示，从而使外形尺寸和成本得以大大缩减。50mV电平转换器允许输出DC耦合，并不产生削波失真，从而在5mm2的总体解决方案面积内实现了最佳的视频性能。 
    
从图2可知，对于50％平均信号，由于电容阻断了输出和负载之间的直流连接，因此，OPA360应用电路可有效降低功耗。其OPA360芯片主要特点为： 
    ①卓越的视频性能：0.5dB增益平坦度为35MHz,差分增益为0.02％，差分相位为0．05º； 
    ②单位增益带宽为5MHz； 
    ③高回转速率：100V／μs； 
    ④输入范围包括地； 
    ⑤轨至轨输出； 
    ⑥低功耗6mA{开启时)，2。5μA(停机时)； 
    ⑦单电源工作范围：2．7Vto3．3V； 
    ⑧封装型式：微型封装SC70。 
    
OPA360可在数码相机、带视频功能的移动电话、便携式媒体播放机、机顶盒视频滤波器、及数字电视上获得应用。

3.3利用Maxim的DirectDrive技术 
    
MAX9503能够输出接近零直流偏置的视频信号，无需任何交流耦合电容。由于片内反向电荷泵可产生负电压，因此，这一技术使MAX9503能够输出地电平以下的信号。尽管DirectDrive增大了PQ，但由于PL降低，MAX9503的平均功耗能够与MAX9502和OPA360保持在同一水平。由于直流偏置接近地电平，MAX9503只需源出较小的电流。

3.4 THS7353型三通道视频功率放大器 
    
该放大器带可选择滤波器，2：1输入多路复用及外置增益控制。 
    
高性能流式媒体技术涵盖了众多的数字媒体和新兴的基于媒体的技术，包括将视频、话音和数据内容集成到许多新的多样应用中，从而彻底改变数字媒体内容的交付方式。 
    
在流式媒体所面临的诸多挑战中，包括实时性能、较高的通道密度以及用于在横跨有线和无线网络的情况下实现视频、话音和数据流的同时处理的软件编程灵活性。典型的数字媒体处理功能包括媒体流的编码和解码、代码转换(从一种格式转换至另叫种格式)以及数据流的速率变换(从较高的位速率变至较低的位速率)，旨在适应各种各样的系统级相关性。其他的处理功能包括媒体流的压缩、解压缩、加密、包化和传送。 
    
如视频放大器THS7327集成了三个模拟视频通道与两个用于HV同步的数字通道，大大简化了系统设计并减少了组件数量。可编程滤波器与输入偏置模式能满足所有信号标准所需的通用模拟信号调节要求。以其典型芯片THS7353型作介绍。 
    
THS7353是低功耗、三通道集成视频缓冲器，其构成采用了BCOM-111处理。芯片集成了可选择性5阶巴特沃斯(Butterworth)抗混淆(anti-aliaslng)／DAC重建滤波器以消除数据转换成像。每一个通道都可单独的通过配置。其轨至轨输出级允许交流及直流耦合应用，外置控制增益调节引脚允许精确的调节增益，例如线性驱动、补偿以用于缆线损耗或Sin-X／X补偿。 
    
THS7353主要特点为：三通道视频放大，用于CVBS、S-Video、YUV、SD／ED／H丫PBPR及RGB;控制所有功能;集成低通滤波器;可选择输入偏压模式;2：1输入多路复用允许多输入源;外置增益控制范围0dB至14dB;单电源供电2.7V至5V;低静态电流16.2mA;差动增益/相位0.15％／0.3°. 
    
THS7353应用：可用在HDTV视频缓冲,PVR／DVD日输出缓冲,投影仪视频缓冲及USB／便携式视频缓冲等方面.

[page]4 新一代视频滤波/缓冲器的低功耗产品 
    
手机或者PMP中的视频内容越来越多，这些设备中要求具有复合视频输出和／或S视频输出。用在这些设备中的视频缓冲器可从模拟标准清晰度视频滤波器MAX9508得到好处。MAX9508采用了信号有效负载检测技术，在没有驱动信号时，它能自动使视频输出无效。智能睡眠（Smart Sleep）技术能尽量延长电池的使用时间，并提供高频率的EMI滤波,见图3所示。

图3 智能睡眠（Smart Sleep）技术能尽量延长电池的使用时间，并提供高频率的EMI滤波示意图 
    
在有关视频应用的设计中，设计工程师必须注意整个产品解决方案的成本，而不仅是芯片的成本。飞兆半导体(Fairchild)的超便携式视频滤波驱动器FMS6151可把手机视频图像驱动到电视、计算机显示器上。对于性能要求更高的应用，该器件的5阶8MHz SD滤波器可以改善图像质量，而低至3．8mA的电源电流(关断时仅为25nA)可延长电池寿命。

4.1低功耗视频开关TS5V330 
    
有时被称为视频点唱机、便携式媒体播放机或便携式视频播放机的便携式多媒体自动选曲机是颇受消费者和消费类电子产品制造商关注的市场。这些通常基于硬盘驱动器的设备能够保存几千小时的节目内容，并为消费者提供适合于当今“移动式”生活方式的娱乐享受。虽然这些产品的市场眼下还不太大，但是该市场将渐成气候却是业界的共识。值此介绍其视频开关TS5V330。 
    
TS开关产品系列中的视频开关提供了低差分增益和相位。使得它们成为复合及RGB视频应用的理想选择。TS视频开关还提供了支持高频视频应用所需的大带宽和低串扰。图4为多路视频信号从视频图形处理器传输至VSA的外置视频端口示意图。

图4 多路视频信号从视频图形处理器传输至VSA的外置视频端口示意图 
    
主要特点为：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)；宽带宽(BW=300MHz最小值)；低串扰(3VXTALK=-80dB典型值)、(5VXTAL=-63dB典型值)；低功耗(Icc=3μA最大值)；具有近零传播延迟的双向数据流；低通态电阻(rON=3Ω典型值)；数据I/O端口上的轨至轨开关操作(0V至Vcc)；Ioff支持部分断电模式操作；适合RGB和复合视频开关，可在复合及RGB视频上应用。

4.2应用DirectDrive技术的1.8V视频滤波放大器 
    
MAX9509是Maxim新一代视频滤波放大器系列的首款器件，大大降低了平均功耗和PQ，如图5所示。图5的MAX95091.8应用电路处理50％平均信号，大大降低了功耗。其电源电压(VDD)由3.3V降到了1.8V，1.8V是移动电话正在逐渐使用的数字I／O电压；静态电源电流(IQ)也由12mA降到了3.1mA。 
    

图5 新一代视频滤波放大器系列的首款器件，大大降低了平均功耗和PQ 
    
当视频滤波放大器采用1.8V电源电压工作时，必须采用DirectDrive技术。采用电压模式输出级的放大器必须至少提供2Vp-p摆幅，才能输出复合视频信号。传统的放大器采用1.8V单电源供电时，没有足够的余量产生2Vp-p输出信号。而采用DirectDrive后，集成反向电荷泵将产生一个嘈杂的1.8V电压；负电压线性稳压器将-1.8V电压稳定到-lV，降低了电荷泵噪声。因此，实际采用1V至+1.8V的电压供电时，MAX9509刚好有足够的余量输出2Vp-p视频信号。 
    
MAX9509采用低电压、低IQ的DirectDrive输出级，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视频滤波放大器的PQ。需要注意的是，在如此低的电压下电路高速工作，噪声将大大增加，因为此时电路的工作电流要比正常情况低。MAX9509考虑了噪声问题，该器件具有极佳的峰值信噪比(SNR)，达到64dB，足以满足消费类产品的要求。为了使电视屏幕显示清晰的图像，峰值SNR应该在40dB左右。将充满噪声的电荷泵与滤波器和放大器放置在同一芯片是重要的新技术。电荷泵有可能向敏感的视频信号上引入开关噪声。把MAX9509的电荷泵与视频信号通路隔离开可以有效解决这个问题，得到极低的电荷泵噪声频域特性，而且从时域特性也几乎观察不到噪声。 
    
消费者在屏幕上观察MAX9509的输出信号时，既不会看到宽带噪声，也不会看到电荷泵噪声。

5 结束语 
    
以上分析可知，虽然低功耗视频滤波放大器的开发工作已经取得了一些进展，但IC设计人员还有许多工作要做，例如，视频负载检测。如果视频滤波放大器具有负载电子检测功能，并为微控制器系统提供负载状态，只在出现有效的视频负载时开启视频输出电路，即可进一步增强系统的智能化视频功耗管理。■