一、真待機、低功耗的意義

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

　　國家的整體轉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)字機頂盒。當前市場上的機頂盒工作功耗一般為10～15W，其中絕大部分的機頂盒沒有“真待機”功能，待機狀態(tài)下的功耗和工作功耗幾乎是一樣的。一臺機頂盒平均每天待機二小時將耗費0.023度電。國內當前有線數(shù)字機頂盒保有量 2600萬臺，一年的待機耗電2.18億度，超過了一個中型火力發(fā)電廠一年的發(fā)電總量。如果完成數(shù)字電視整體轉換，國內有線機頂盒保有量將超過1.52億臺（不包括家庭第二臺機的需求），一年的待機耗電將達12.76億度。

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

　　二、如何降低機頂盒的工作功耗

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

　?。?）主芯片：不同廠家的產品功耗差異較大，市場上的主流產品工作功耗從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開關速率、整流管正向導通電壓、電解電容漏電流等。提升電源效率對整機功耗的影響比較大，比如從70%上升到85%，電源模塊的損耗就減少了一半。但是進一步提升效率則會變得困難。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。

　?。?）調諧器：工作狀態(tài)約消耗1-2W。待機時可以完全關斷。

　?。?）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。

　?。?）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存儲器：工作狀態(tài)約消耗0.5～1.5W。待機時需要給電self-fresh，約消耗0.02W。

　?。?）Flash存儲器：工作狀態(tài)消耗約0.5-1W，待機狀態(tài)的功耗小于0.02W。由于是非易失存儲，待機時也可以關斷電源。

　?。?）EEPROM存儲器：工作狀態(tài)小于0.01W，由于是非易失存儲，待機時可以關斷電源。

　?。?）視頻濾波網(wǎng)絡：工作狀態(tài)約0.3-1W，待機時可以關斷電源。

　?。?0）音頻放大電路：工作狀態(tài)約0.5-1W，待機時可以關斷電源。

　　可見，機頂盒的主要功耗在于電源模塊、主芯片和外圍器件。待機時外圍器件可以通過電源切換開關來關閉，關鍵是選用低功耗的主芯片、提高電源模塊的轉換效率。

　　圖1機頂盒系統(tǒng)框圖

　　三、沒有“真待機”功能的機頂盒是如何待機的

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

　　圖2：機頂盒待機狀態(tài)系統(tǒng)框圖（非真待機）

　　四、通過方案層面來實現(xiàn)“真待機”

　　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現(xiàn)真待機。思路是：

　?。?）給機頂盒增加電源切換開關用以關閉/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。比如在允許范圍內選較大阻值的上拉電阻，選用功耗較小的晶振等。

　?。?）降低待機時的系統(tǒng)時鐘和CPU時鐘。這需要主芯片支持。

　?。?）提升AC-DC電源的效率。

　　如圖4所示，通過方案層面實現(xiàn)的“真待機”，紅外遙控接收模塊、電源、電源切換開關正常工作，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：機頂盒待機狀態(tài)系統(tǒng)框圖（真待機，在方案層面實現(xiàn)）

　　以當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、優(yōu)化AC-DC電源效率，能夠將待機功耗降低到1W以下，實現(xiàn)真待機，能將工作功耗降低到8W以下，實現(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，在待機狀態(tài)關閉音視頻輸出后，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，待機功耗約1W（80%-90%電源效率）。電源在待機時處于輕載狀態(tài)，很難達到這樣高的效率，需要采用更好的器件和更復雜的電路，這意味著更高的成本和技術難度。當然，也可以把RAM、CPU關掉，功耗很容易降低。犧牲的就是啟動時間，實際啟動時間跟冷開機基本相同，約10s左右。

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

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

　　五、通過主芯片層面來實現(xiàn)“真待機”

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

　　如圖5所示，在待機時僅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入低功耗狀態(tài)，其余模塊關閉。

　　由于芯片設計時已經(jīng)考慮了節(jié)電問題，可以在片內進行區(qū)別對待各模塊的供電，部分模塊關閉，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，待機功耗也能達到1W以下的目標。實際設計中，待機功耗約0.5-0.7W，完全滿足小于1W待機的要求，而整機工作功耗可以降低到5～6.5W。

　　圖5：機頂盒待機狀態(tài)系統(tǒng)框圖（真待機，在主芯片層面實現(xiàn)）

　　六、三種待機方式比較

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

　　作者：任建華 葉云杰

　　來源：海思半導體有限公司