便攜式設備或便攜式產品(Portable Device Or Portable Product)的定義非常廣泛，可以說，凡是以電池作為主要驅動能量的設備或產品，均可稱之為便攜式設備，這類產品中固然大多數仍然保存了外接直流電源的接口，但內置的電池仍然是它的主要工作能源，例如，人們普遍熟悉的日用消費類產品：MP3播放器/MP4播放器、PDA、手機、數碼相機、DV、便攜式DVD、筆記本電腦等，以及產業使用的手持式測試儀、車載行業使用的衛星定位系統(GPS)、衛星導航系統等等。
用戶在使用便攜式產品時，都有一個共同的期看，即：渴看這類產品的正常使用時間越長越好，尤其在用戶離開了熟悉的室內環境(辦公場所或家中)，或置身于出差的路途之中時，用戶往往很不方便就近地獲得維持產品正常運行的能量；此外，無人值守的野外監測站、全天候長期連續運行的安全監控系統等，在如今綠色環保節能的呼聲下，也對設備的節電設計提出了很高的要求。因此，此類產品的整個系統的節電設計的優劣與否，就成為了衡量產品設計成功與失敗的標志，可以說節電設計是一個優秀工程師所具備的基本概念。
如圖1所示，我們往往用電源模塊的輸出、輸進真個功率之比來做為估算該模塊的轉換效率，η=((Vout*Iout)/(Vin*Iin))*100%。對于一個電源模塊而言，我們當然渴看它的轉換效率η越高越好，但實際上電源模塊工作時的損耗是不可避免的，η往往達到90%，就可以以為是一個比較理想和成功的設計了。
在便攜式產品的設計中，為了盡可能地充分利用電池的全部能量，我們在開發過程中，需要經常測試并估算每個電源模塊的轉換效率，若理論計算值明顯低于廠家所提供的技術資料中所給出的指標，則需要工程師對主芯片及外圍元器件進行慎重篩選，并反復測試確認。下面，將扼要先容一下此類產品節電設計的幾個主要方面。
元器件的選型
有道是“工欲善其事，必先利其器”，欲令整個產品達到節電的目的，在硬件設計之初，就需要對元器件的選型格外關注，具體表現在：
1. 選用低功耗且具有電源治理的中心處理器。
便攜式設備的CPU，與產業及普通家庭所使用的CPU的工作電壓有明顯的不同，前者的工作電壓通常是3.3V或更低，有的便攜式設備的處理器甚至將它的工作電壓分為幾組來設計，I/O部分為了方便與外設接口仍然是3.3V，但處理器的核心部分則是1.8V或更低；而產業及普通家庭所使用的產品，由于可以直接就近從市電系統中獲得能量，對整個產品的節電與否不是很敏感，它們所使用CPU的工作電壓通常是5V。這是由于在同樣驅動電流的情況下，CPU的工作電壓越高，則需要設備的供電系統提供更多的能量，這勢必影響到此類產品的整體性能。故需要我們優先選用低工作電壓的處理器；這條規則也適用于其它外圍芯片的選擇，例如：Flash Memory、SRAM/SDRAM、通用邏輯門電路芯片、ADC/DAC、FPGA等。
圖1：電源模塊的轉換效率 當然，僅僅注重選擇低工作電壓的CPU還不夠，我們還需要關注它的工作狀態，并以具有電源治理的中心處理器為最優。我們以Cypress的PSoC系列的低功耗CPU為例，它除了正常“運行”的工作模式以外，還有：“CPU睡眠”、“模擬睡眠(Analog Sleep)”和“完全睡眠”等三種睡眠方式。開發者通過對模擬參考控制寄存器中的Analog Power Control位清零，可以使所有模擬PSoC模塊進進“模擬睡眠”狀態，若要最大限度地降低功耗，用戶可使CPU進進“完全睡眠”模式，這可在進進“模擬睡眠”狀態后，再設置相關的狀態位和控制寄存器(CPU_SCR)中的Sleep位來實現。CPU進進“完全睡眠”模式后，會使CPU停止工作，若要回到“模擬睡眠”模式，則必須有中斷或有復位(POR或WDR)發生。
在“運行”狀態下，開發者通過設置相關的狀態位和控制寄存器(CPU_SCR)中的Sleep位，可直接進進“CPU睡眠”工作狀態，此時，CPU將停止指向指令，直到有中斷或有復位(上電復位POR或看門狗WDR)發生；當CPU處于“CPU睡眠”工作狀態時，所有來自主振蕩器的時鐘信號都不在工作，包括48M、24M、24V1和24V2這些系統時鐘，此時，只有內部低速振蕩器在繼續工作(進進低精度及低功耗狀態)，那些從系統獲取時鐘的模擬和數字模塊也將停止工作。圖2為這三種睡眠模式之間的切換關系示意圖。
圖2：CPU三種睡眠模式之間的切換關系示意圖 2. 電源元器件選型及設計要點。
便攜式產品設計時，元器件的選型，除了封裝小、低功耗等通用要求以外，還有一些值得關注之處。對于便攜式設備而言，它的主要動力是依靠電池提供能量，常用的電池可分為普通一次性使用的堿性電池和可充電電池。
每個普通一次性使用的堿性電池的電芯出廠時的端電壓是1.5V，隨著放電時間的推移而慢慢下降，當降至大約1.0V左右，則不再工作。可充電電池分為NiMH(鎳金屬氫)電池、LI-ION(鋰離子電池)及鋰聚合物電池，早期的NiCd(鎳鎘)電池，由于有極其嚴重的記憶效應，及含有對人體有危害的重金屬鎘元素，造成環境污染等原因，目前已被淘汰，早已不再使用了。
每個NiMH電池的電芯布滿電時的端電壓是1.2V，隨著放電時間的推移而緩慢下降，當降至1.0V左右，則不再工作，若繼續使用將造成電池過放電，而影響電池的使用壽命，故2節NiMH電池的正常使用范圍為2.4~2.0V。
每節鋰離子電池及鋰聚合物電池的電芯布滿電時的端電壓是4.2V(也有的是4.1V，根據電芯的廠牌而有所不同)，額定電壓是3.6V，隨著放電時間的推移而緩慢下降，當降至3.1V左右，則不再工作，若繼續使用將造成電池過放電，影響電池的使用壽命，故鋰離子電池的正常使用范圍為3.1V-4.2V。鋰離子電池的電芯比較嬌貴，對它進行過沖電或過放電均會嚴重地影響到電池的使用壽命，故鋰離子電池的使用者都會為它專門設計一塊保護線路板，以避免這種情況的發生。
由于電池正常使用時表現的端電壓不同，故便攜式設備的電源模塊的設計也就完全不同。以目前的電子設計技術而言，通常的電源轉換模塊，有LDO(線性穩壓器)及DC/DC(直流/直流變換器)兩大類，當然，為了同時適應升壓或降壓的工作狀況，美國國家半導體(NS)推出了SEPIC(Single Ended Primary Inductance Converter)的概念，例如LM3478/LM3488等芯片，但目前應用還不太普及。
LDO由于實現的原理簡單，本錢低廉，工作穩定可靠，外圍元器件少(通常只需要在它的輸進輸出端各加1只濾波電容即可)，紋波小，故問世以來得到了眾多工程師的青睞，獲得了廣泛的應用，但它的轉換效率低(通常是70%或更低)、會發熱，故僅僅適合于小負載電流(對于便攜式產品而言，建議不要超過150mA左右)及輸進輸出電壓差ΔV較小的場合(ΔV越大，則電源模塊的發熱越厲害)，否則會導致整個系統的電源模塊的工作效率低下，將嚴重影響整個產品的正常使用時間。
在選擇LDO時，需要考慮的基本題目包括輸進電壓范圍、預期輸出電壓、負載電流范圍以及其封裝的功耗能力。但是便攜式應用需要考慮更多題目。接地電流或靜態電流(IGND或IQ)、電源紋波抑制比(PSRR)、噪聲與封裝大小通常是便攜式應用決定最佳LDO選擇的要素。LDO的選型要點，在于選用LDO滿負載工作時，盡可能小的ΔV值，由于通常它的輸出噪音、輸出精度等指標都較輕易滿足設計需求。以NS的LP3995為例，它在最大負載150mA時，只有60mV的壓降，具有優異的性能。
為什么會說輸進輸出電壓差ΔV較小的LDO適合便攜式式設備的應用呢？答案是：由于LDO的特性，注定它是工作在降壓的狀態，即輸出真個電壓永遠比輸進真個電壓低，它們之間的壓差為ΔV＝Vi－Vo。
圖3： LDO的壓差ΔV即是輸進Vi減往輸出Vo之差如圖3所示，當Vo維持恒定不變時，若Vo＝3.30V、ΔV＝0.06V，則Vi＝Vo＋ΔV＝3.30V+0.06V=3.36V，即欲在LDO的輸出端獲得負載所需要的穩定的3.30V，則需要為這個LDO模塊最低提供3.36V的工作電壓即可，若ΔV值較大，若為0.20V，則同樣的情形下，Vi＝Vo＋ΔV＝3.30V+0.20V=3.50V，使得電池低于3.50V的電量無法開釋出來，試驗證實，鋰離子電池的在3.50V到截至放電的3.10V之間，還有大約24％的剩余能量沒有開釋出來；由此可見，ΔV值越小的LDO，電池的使用效率就越高，越有利于便攜式產品的設計。
盡量選用低的ΔV值的LDO，是此類元器件的選擇原則。有的廠商的LDO為了適合便攜式產品的應用，還專門設計了芯片使能端，例如：NS的LP3990/3995等系列芯片，當主機檢測到某個負載模塊處于不工作狀態時，則通過處理器的通用I/O口(GPIO)向對應的電源轉換模塊發出一個控制信號，令其徹底關斷，此時，整個LDO模塊處于低功耗的待機狀態，整個模塊的耗電只有1μA，達到了最大地節省電池電量的目的。
對于需要電源模塊提供較大的負載電流，或者負載的電壓值高于電池的端電壓時，使用LDO顯然就分歧適了，此時，就必須考慮使用DC/DC轉換器；DC/DC按照工作情形的不同可分為升壓型DC/DC，即DC/DC StepUp，及降壓型DC/DC，即DC/DC StepDown兩大類。DC/DC轉換器的優缺點正好與LDO形成互補，它的轉換效率高(至少在80％以上，有的公司的芯片，轉換效率甚至可達95％)，不會發熱；但芯片本身的本錢高、外圍線路比較復雜、對外圍元器件要求較高、工作時會產生噪音干擾等等，這些都是DC/DC模塊不可避免的缺點。
DC/DC芯片的選用原則是：尋找轉換效率高、價格適中、封裝小、所需的外圍元器件少的芯片作為優選方案。例如：NS的L3670等系列芯片，轉換效率可達95％，并將DC/DC模塊必須的MOSFET、肖特基二極管等元器件集成了進往，極大地方便了使用，簡化了硬件設計。此外，DC/DC芯片通常還具有芯片使能端，當主機檢測到某個負載模塊處于不工作狀態時，則通過處理器的(GPIO向對應的電源轉換模塊發出一個控制信號，對其徹底關斷，此時，整個模塊隨即處于耗電量極低的待機狀態，如：NS的L3670等系列芯片，在待機狀態下，功耗只有0.1μA，實現了最大地節省電池電量的目的。
DC/DC模塊的節電設計原則，除了主芯片的選擇以外，所配用的外圍元器件的選擇也很重要，若模塊需要外接MOSFET，那么除了留意選擇最大峰值工作電流、元器件的封裝應該滿足要求以外，還要格外留意關注Rds(on)的值，此值越小越好，通常在數十毫歐姆以內；對于DC/DC而言，由于芯片的內部電荷泵始終在工作著，依靠PWM技術，頻繁地導通或切斷MOSFET，來實現對輸出電壓的控制，故DC/DC模塊均工作在較高頻率的條件下，因此為了降低輸出真個紋波，必須選用較大容量值的電容，并且為了降低模塊的內部損耗，我們必須選用較小的ESR(等效串聯阻抗)值的電容為最佳(此數值也是越小越好，但通常考慮到本錢等因素，在數十毫歐姆以內均可接受)，疊層陶瓷電容是此類產品較理想的選擇；有了低Rds(on)值的MOSFET和低ESR值的電容，才可令DC/DC模塊工作的效率得到保證，符合便攜式設備節電設計的原則。
若需要外接二極管，應該采用快恢復和前向壓降較小的肖特基二極管。同時應確保二極管的均勻電流和峰值電流分別高于轉換模塊的均勻輸出電流和限制電流。另外，該二極管的反向擊穿電壓也必須高于電路的輸出電壓Vout。
軟硬件的聯合設計及調試技術
對于便攜式產品而言，有了性能優異的元器件，僅僅是個基礎。欲取得最佳的節電效果，還需要系統的操縱系統(底層軟件)的支持與參與。一個具備節電設計概念的優秀工程師，應該明白用戶的需求，知道何時令CPU全速運行，何時令CPU處于睡眠的狀態，以達到即節省電池電量，又不影響到產品正常使用的目的，通常表現在：
1. CPU全速運行狀態
產品在開機進行初始化操縱，或待機狀態下檢測到外部中斷、用戶按鍵等操縱時，應該令CPU的工作主頻全速運行，以便盡可能降低系統的運行時間，提升產品的響應速度，以免用戶等得焦慮。CPU全速運行狀態也是此類設備最耗電的狀態。
2. 待機、喚醒及LCD顯示屏工作狀態的處理
便攜式產品的顯示屏通常是LCD屏，LCD屏雖是低功耗的顯示器件，但在此類產品仍然是耗電最大的模塊之一；試驗證實，對于筆記本電腦這樣具有大尺寸的具有CCFL燈管的被動顯示的LCD屏的產品而言，LCD屏的耗電要接近整個產品耗電的50％甚至更多，即使對于智能手機等這樣小尺寸的主動顯示LCD屏的產品，LCD模塊消耗的電流也要大約占據整機耗電的1/3，故對于LCD屏的工作狀態的正確處理，將直接影響到便攜式產品的整體節電性能。
在產品處于正常工作時，LCD正常顯示，我們需要設置處理器的內部計數器開始計數，當檢測到某個連續的時間段沒有任何外部操縱及中斷發生時，則應該令CPU的工作主頻下降，只需要維持LCD屏正常顯示即可，同時開放所有中斷資源，以便隨時接受用戶的外部操縱等，令系統進進待機狀態；試驗證實，便攜式產品在工作的大部分時間內，均是處于這種待機狀態，正確處理待機時整個系統的工作主頻，將有效地延長電池的使用時間。
在待機狀態下，處理器內部的計數器仍然在繼續地工作著，當它檢測到某個更長的連續的時間段內(此數值通過可由用戶通過操縱菜單進行修改)，仍然沒有任何外部操縱及中斷發生時，則立即切斷LCD顯示屏的電源，同時令CPU進進“完全睡眠”的模式，此時，產品完全處于睡眠的狀態，可達到最大地節省電池電量的目的。進進“完全睡眠”模式的便攜式產品，仍然可由外部中斷或上電復位等操縱進行喚醒，從而進進全速運行的狀態。
3. 電池電量的實時治理
在產品待機狀態下，便攜式產品的操縱系統還應該具備電池電量治理的功能。系統通過A/D口隨時檢測電池確當前電量，當電池的端電壓低于某個設定的警告值時(2節NiMH電池是2.10V，鋰離子電池是3.20V)，系統隨即發出聲光報警，提醒用戶及時對電池進行充電；若用戶仍然繼續使用，電池的電量則會繼續下降，當電池的端電壓低于某個設定的值時(2節NiMH電池是2.00V，鋰離子電池是3.10V)，系統隨即強制關機，以便對電池進行有效保護，避免過放電，從而影響電池的使用壽命，同時CPU對SRAM中存儲的數據進行處理，以避免客戶的資料永久丟失。 |
