降低视频子系统的工作和待机功耗

2007-12-24 13:01:30来源: 电子设计应用
越来越多的便携式设备,例如数码相机、手机和便携式媒体播放器,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DAC之后的视频滤波放大器产生视频信号。现有的3.3V视频滤波放大器处理视频信号时,功耗为45mW。电池使用时间是便携设备的关键,首先要考虑降低视频系统芯片的功耗。出于这一考虑,新一代视频滤波放大器能够工作在1.8V电压,功耗仅为12mW,降低了近70%。原文位置

能量消耗在哪里

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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):

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PQ=VDD×IQ

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PL=VDD×IL

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PT = PQ+PL=VDD×(IQ + IL)

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  图1 单电源运算放大器,带有一个对地的电阻负载

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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,芯片的数据资料会给出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,因此,PQ几乎是无用信息。完全开启时,视频滤波放大器为负载提供视频信号驱动。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。

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3.3V视频滤波放大器的功耗

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当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。平均功耗定义为视频滤波放大器以50%平场视频信号驱动150W对地负载时的功耗。50%平场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。

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将视频信号驱动至视频负载会造成功耗增大,这在很大程度上取决于视频放大器的输出方式。MAX9502的输出视频信号采用了正向直流偏置 (见图2)。维持输出信号的正向直流偏置会使总功耗增大。因此,MAX9502必须输出大约8.7mA的电流。

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  图2 MAX9502G应用电路

利用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保持在同一水平。由于直流偏置接近地电平,MAX9503只需输出较小的电流。原文位置

1.8V视频滤波放大器

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MAX9509是视频滤波放大器,降低了平均功耗和PQ,如图3所示。其电源电压(VDD)由3.3V降到了1.8V,1.8V是手机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。

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  图3 MAX9509 1.8V应用电路处理50%平场信号,大大降低了功耗

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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-1V,降低了电荷泵噪声。因此,实际采用-1V~+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。

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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。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在设计过程中考虑了噪声问题,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。

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将充满噪声的电荷泵与滤波器和放大器放置在同一芯片内是主要的设计难点。电荷泵有可能向敏感的视频信号引入开关噪声。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。

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低功耗视频滤波放大器的发展方向

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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,但芯片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。目前,大多通过机械插孔检测视频负载的插入,以开启视频输出电路。如果电缆另一端没有连接电视或其他监视器,这种方法将造成电池能量的浪费。视频负载电子检测的另一个好处是只需要标准连接器,而不需要带有机械插孔检测的连接器,与标准连接器相比,这种机械连接器增加了成本,而且占用更大空间。

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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,采用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。由于视频芯片一般用于价格竞争激烈的消费类电子产品,因此,最大的难题是如何在增强智能化电源管理的同时不会过多地增加成本。

关键字:静态  负载  滤波  驱动

编辑: 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/designarticles/power/200712/17468.html
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