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，堅持節約資源和保護環境的基本國策，關系人民群眾切身利益和中華民族生存發展。必須把建設資源節約型、環境友好型社會放在工業化、現代化發展戰略的突出位置，落實到每個單位、每個家庭。要完善有利于節約能源資源和保護生態環境的法律和政策，加快形成可持續發展體制機制。

　　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使用上有線數字機頂盒。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電廠一年的發電總量。如果完成數字電視整體轉換，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”狀態下待機，機頂盒內部的元器件依舊處于工作狀態，這樣降低了整機的預期壽命。例如，電解電容，處于工作狀態時電解液的揮發速度遠高于非工作狀態，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機頂盒系統框圖，機頂盒在工作狀態，各元器件模塊的功耗為：

　　（1）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。

　　（3）調諧器：工作狀態約消耗1-2W。待機時可以完全關斷。

　　（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以下的數量級，可以忽略不計。

　　（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。

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

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

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

　　（9）視頻濾波網絡：工作狀態約0.3-1W，待機時可以關斷電源。

　　（10）音頻放大電路：工作狀態約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機頂盒在待機狀態時，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即可，其余部件的狀態跟正常工作時相同，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：機頂盒待機狀態系統框圖（非真待機）

　　四、通過方案層面來實現“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真待機。思路是：

　　（1）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

　　（2）選用低功耗的主芯片

　　（3）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。

　　（4）降低待機時的系統時鐘和CPU時鐘。這需要主芯片支持。

　　（5）提升AC-DC電源的效率。

　　如圖4所示，通過方案層面實現的“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在低功耗狀態工作，剩余的其它部件處于斷電狀態。

　　圖4：機頂盒待機狀態系統框圖（真待機，在方案層面實現）

　　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、優化AC-DC電源效率，能夠將待機功耗降低到1W以下，實現真待機，能將工作功耗降低到8W以下，實現低功耗。但是難度在于：

　　（1）對電源要求較高。主芯片的功耗為0.9W，在待機狀態關閉音視頻輸出后，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，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。

　　（2）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。

　　（3）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“真待機”

　　通過主芯片層面來實現“真待機”，主要是在芯片內部采用功率管理技術，在算法優化、工作模式優化、電源控制、時鐘控制和電路邏輯優化等方式來降低芯片功耗。如采用電源島技術根據芯片當前運行任務區別對待，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，RAM、FLASH、EEPROM、CPU、電源、按鍵和顯示面板模塊進入低功耗狀態，其余模塊關閉。

　　由于芯片設計時已經考慮了節電問題，可以在片內進行區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。這樣電源以外系統可以降到 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：機頂盒待機狀態系統框圖（真待機，在主芯片層面實現）

　　六、三種待機方式比較

　　如下表所示，通過芯片層面實現的“真待機”比通過方案層面來實現有著許多優點，因此今后主芯片的發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