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实现有线数字机顶盒“真待机、低功耗”之途径 |
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作者：任建华 叶云杰 |
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摘 要：节能降耗关系到社会能否可持续发展。随着有线数字机顶盒整体转换的速度加快，规范机顶盒功耗的立法工作已经在相关政府部门展开，降低机顶盒功耗实现真待机是大势所趋。本文以当前市场上的机顶盒方案为例讨论了“真待机、低功耗”的实现方法以及发展方向。
关键字： 数字电视 机顶盒 智能卡
一、“真待机、低功耗”的意义
胡锦涛总书记在“十七大”报告中指出，坚持节约资源和保护环境的基本国策，关系人民群众切身利益和中华民族生存发展。必须把建设资源节约型、环境友好型社会放在工业化、现代化发展战略的突出位置，落实到每个单位、每个家庭。要完善有利于节约能源资源和保护生态环境的法律和政策，加快形成可持续发展体制机制。
国家的整体转换政策将使得一亿多有线电视用户在今后的几年陆续使用上有线数字机顶盒。当前市场上的机顶盒工作功耗一般为10～15W，其中绝大部分的机顶盒没有“真待机”功能，待机状态下的功耗和工作功耗几乎是一样的。一台机顶盒平均每天待机二小时将耗费0.023度电。国内当前有线数字机顶盒保有量 2600万台，一年的待机耗电2.18亿度，超过了一个中型火力发电厂一年的发电总量。如果完成数字电视整体转换，国内有线机顶盒保有量将超过1.52亿台（不包括家庭第二台机的需求），一年的待机耗电将达12.76亿度。
而且，机顶盒如果以非“真待机”状态下待机，机顶盒内部的元器件依旧处于工作状态，这样降低了整机的预期寿命。例如，电解电容，处于工作状态时电解液的挥发速度远高于非工作状态，缩减了实际使用寿命。
二、如何降低机顶盒的工作功耗
如图1机顶盒系统框图，机顶盒在工作状态，各元器件模块的功耗为：
(1)主芯片：不同厂家的产品功耗差异较大，市场上的主流产品工作功耗从500mW到1500mW不等。
(2)AC-DC电源模块：一般电源模块的效率在70%-85%之间，即15%-30%的整机功率被电源模块本身消耗了。主要影响效率的因素是PWM开关速率、整流管正向导通电压、电解电容漏电流等。提升电源效率对整机功耗的影响比较大，比如从70%上升到85%，电源模块的损耗就减少了一半。但是进一步提升效率则会变得困难。要将85%的效率提升到90%甚至更高，往往需要更高效的器件、更复杂的电路并忍受更难克服的EMI问题。因此改善电源效率在一定程度上有较好的效果，但是也有其局限性。
(3)调谐器：工作状态约消耗1-2W。待机时可以完全关断。
(4)红外接收、和按键板：功率消耗不大，由红外接收头电流，按键导通电阻及其上下拉电阻等决定。一般都在0.1W甚至0.01W以下的数量级，可以忽略不计。
(5)智能卡：功率消耗由具体的智能卡方案决定，一般不超过1W。
(6)ram存储器：工作状态约消耗0.5～1.5W。待机时需要给电self-fresh，约消耗0.02W。
(7)Flash存储器：工作状态消耗约0.5-1W，待机状态的功耗小于0.02W。由于是非易失存储，待机时也可以关断电源。
(8)EEPROM存储器：工作状态小于0.01W，由于是非易失存储，待机时可以关断电源。
(9)视频滤波网络：工作状态约0.3-1W，待机时可以关断电源。
(10)音频放大电路：工作状态约0.5-1W，待机时可以关断电源。
可见，机顶盒的主要功耗在于电源模块、主芯片和外围器件。待机时外围器件可以通过电源切换开关来关闭，关键是选用低功耗的主芯片、提高电源模块的转换效率。
图1 机顶盒系统框图
三、没有“真待机”功能的机顶盒是如何待机的
当前市场上的绝大多数机顶盒在待机状态时，仅仅禁止机顶盒的音视频输出，再把指示灯显示为待机状态即可，其余部件的状态跟正常工作时相同，如图2所示。这种待机方式电路设计简单，但待机功耗是最大的，几乎和机顶盒工作状态的功耗相当。比如一个正常工作时功耗为15W的机顶盒，待机时功耗仍然有13-15W。以这种方式待机的机顶盒能耗高，不具备真正意义的待机功能。
图2:机顶盒待机状态系统框图（非真待机）
四、通过方案层面来实现“真待机”
如果主芯片本身没有集成能耗管理模块，可以通过方案层面来实现真待机。思路是：
(1)给机顶盒增加电源切换开关用以关闭/开启外围用电模块，如给Tuner、音频放大电路断电/给电，电源切换开关原理如图3所示。
图3:电源切换模块原理图
(2)选用低功耗的主芯片
(3)尽量减少分离器件的功率消耗。比如在允许范围内选较大阻值的上拉电阻，选用功耗较小的晶振等。
(4)降低待机时的系统时钟和CPU时钟。这需要主芯片支持。
(5)提升AC-DC电源的效率。
如图4所示，通过方案层面实现的“真待机”，红外遥控接收模块、电源、电源切换开关正常工作，按键和显示面板模块、CPU在低功耗状态工作，剩余的其它部件处于断电状态。
图4:机顶盒待机状态系统框图（真待机，在方案层面实现）
以当前市场上主流的一款主芯片为例，用这款芯片在方案层面上通过增加电源切换开关、优化AC-DC电源效率，能够将待机功耗降低到1W以下，实现真待机，能将工作功耗降低到8W以下，实现低功耗。但是难度在于：
(1)对电源要求较高。主芯片的功耗为0.9W，在待机状态关闭音视频输出后，还有0.5W-0.6W。再加上SDRAM、红外、按键等外围器件，约 0.8W-0.9W之间，待机功耗约1W（80%-90%电源效率）。电源在待机时处于轻载状态，很难达到这样高的效率，需要采用更好的器件和更复杂的电路，这意味着更高的成本和技术难度。当然，也可以把RAM、CPU关掉，功耗很容易降低。牺牲的就是启动时间，实际启动时间跟冷开机基本相同，约10s左右。
(2)另外，待机功率在0.85W以上时，难以保证批量制造的机顶盒待机功耗都小于1W。
(3)较高效率电源主要靠提升PWM开关切换速度，上升沿和下降沿变得更陡峭，EMI将成为需要重点关注的问题。
五、通过主芯片层面来实现“真待机”
通过主芯片层面来实现“真待机”，主要是在芯片内部采用功率管理技术，在算法优化、工作模式优化、电源控制、时钟控制和电路逻辑优化等方式来降低芯片功耗。如采用电源岛技术根据芯片当前运行任务区别对待，采用专用的低功耗IP，具有深度睡眠模式的CPU等，既能大大降低待机功耗，又能降低正常工作时的功耗。
如图5所示，在待机时仅IR红外接收模块处于正常工作状态，RAM、FLASH、EEPROM、CPU、电源、按键和显示面板模块进入低功耗状态，其余模块关闭。
由于芯片设计时已经考虑了节电问题，可以在片内进行区别对待各模块的供电，部分模块关闭，部分模块处于低功耗状态。这样电源以外系统可以降到 0.3-0.5W，即使电源模块保持50%的效率，待机功耗也能达到1W以下的目标。实际设计中，待机功耗约0.5-0.7W，完全满足小于1W待机的要求，而整机工作功耗可以降低到5～6.5W。
图5：机顶盒待机状态系统框图（真待机，在主芯片层面实现）
六、三种待机方式比较
如下表所示，通过芯片层面实现的“真待机”比通过方案层面来实现有着许多优点，因此今后主芯片的发展趋势之一就是本身具备“真待机、低功耗”功能。
来源：海思半导体有限公司(end)
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(7/5/2011) |
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