一种有效降低笔记本静态功耗的设计方法

【摘要】文章主要介绍了一种有效降低笔记本静态功耗的电路设计方法，通过额外增加一级电源控制电路，可以在不影响整机性能的基础上，将笔记本静态功耗降低至μA级，进而延长笔记本关机状态下电池待机时间，避免电池过放。

【关键词】笔记本;静态功耗;开机;关机

1.引言

当笔记本长时间存储时，由于存在静态功耗，且电池容量有限，有可能导致笔记本电池由于过放而不能正常工作。因此为防止笔记本电池出现过放，延长电池使用寿命，我们总是希望笔记本的静态功耗越小越好，鉴于此本论文通过一种特殊的方式在不影响笔记本正常工作的前提下有效地降低笔记本的静态功耗，延长笔记本关机存储时间。

2.笔记本供电系统设计

如图1所示为一种常见的笔记本供电系统框图，DCIN为笔记本直流电源输入端，首先，经过一级防雷击浪涌保护电路，对笔记本起到浪涌保护作用;其次，通过DC/DC稳压电路实现供电电压的稳定;最后通过电池充电电路调节电池充电电压，进而实现3串或4串电池的充电电压选择，其中K1、K2、K3由充电管理芯片控制，控制逻辑如下：

1）当仅有适配器存在时，K1闭合，K2、K3断开，此时系统电源由适配器供应;

2）当仅有电池存在时，K3闭合，K2、K1断开，此时系统电源由电池供应;

3）当适配器与电池同时存在时，充电管理芯片会根据电池电量进行充电选择，此时如果电池电量达到充电标准，则K1、K2闭合，K3断开，适配器既给电池充电又给系统供电，如果电池电量未达到充电标准，则K1闭合，K2、K3断开，适配器仅给系统供电。

图1 系统供电框图

此时在存在外部电源（适配器或者电池）时，笔记本中EC（Embbeded Controller）始终处于正常工作状态，EC通过检测开机按键等信号控制开关K4的断开和闭合，进而控制笔记本的开关机。下面介绍其如何实现开机、关机、待机以及唤醒功能。

开机：笔记本处于关机状态时，内部EC通过硬件电路与软件检测开机按键操作，此时EC控制开关K4（实际中K4包括许多不同电路的开关，而且这些开关之间存在一定的上电时序）按照一定顺序闭合，完成笔记本的开机过程。

关机：笔记本处于开机状态时，内部EC通过硬件电路与软件检测机器关机命令，此时EC通过控制开关K4按照一定时序断开，完成笔记本的关机过程。

待机：笔记本处于开机状态时，内部EC通过硬件电路与软件检测待机命令，此时EC通过控制开关K4按照一定时序部分断开，完成笔记本的待机过程。

唤醒：笔记本处于待机状态时，内部EC通过硬件电路与软件检测唤醒命令，此时EC通过控制开关K4按照一定时序闭合，完成笔记本的唤醒过程。

虽然EC具有睡眠等功能使其功耗降到很低，但是由于电源转换芯片本身存在功耗，因此为最大限度的降低笔记本的静态功耗，本论文提出一种特殊的结构实现降低笔记本静态功耗，在DCSUM以及SYS_LOAD之间添加一个开关K5，通过控制K5在关机状态下断开进而降低笔记本静态功耗，本论文所要实现的就是K5的设计。

图2 改进后笔记本供电框图

3.改进后硬件电路设计

通过分析可知，开关K5的主要功能首先是保证开机状态下的正常导通，其次为了减小静态功耗，开关K5在关机状态下需要截止，因此只需要额外控制开关K5的导通与截止即可以有效地降低笔记本的静态功耗。本论文提供以下实现开关K5的方案。

通过增加辅助嵌入式控制器，对供电开关K5进行控制，如图3所示为此方案实现框图。辅助EC可采用带有休眠功能的单片机实现，供电通过DCSUM经过LDO（Low Dropout Regulator）实现，辅助EC的主要功能是检测按键信号开启供电开关K5，检测到关机信号后断开供电开关K5，以此实现笔记本的开关机，下面具体分析如何实现笔记本的开机、关机以及待机、唤醒等功能：

开机：辅助EC检测到开机按键后，通过判断主EC发出的关机信号判断是否开启供电开关K5。当设备处于关机状态时，此时主EC不工作，因此无关机信号输出，当辅助EC检测到开机按键后，开启供电开关K5，延迟一定时间等电压稳定后，向主EC发送开机信号，设备开机;当设备处于开机状态时，此时主EC处于工作状态并向辅助EC发送开/关机信号，辅助EC检测到开/关机信号后判断设备处于开机状态，此时辅助EC向主EC发送开关信号。

关机：在开机状态下，供电开关K5处于使能开启状态，当设备执行系统下关机操作时，系统完成关机后主EC向辅助EC发送开/关机信号，辅助EC断开开关K5完成设备关机操作;当辅助EC检测到开机按键信号后，辅助EC向主EC发送按键信号，主EC完成系统关机操作后向辅助EC发送开/关信号，辅助EC断开供电开关K5完成设备关机操作。

待机：在开机状态下，供电开关K5处于使能开启状态，当设备执行系统下待机操作时，由于开/关机信号不发生改变，因此辅助EC不对开关K5进行断开操作。

唤醒：在待机状态下，供电开关K5处于使能开启状态，辅助EC检测开机按键信号后向主EC发送按键信号，主EC完成设备的唤醒操作。

图3 实现框图

开关K5的具体实现方式如图4所示，其中MOS1为P-Channel MOS管，MOS2为N-Channel MOS管，信号“POWER_EN”连接至辅助EC管脚上，辅助EC通过控制POWER_EN管脚的电平变化即可以控制MOS2的导通和截止，进而控制MOS1的截止和导通。

辅助EC可通过新华龙C8051F04X系列单片机实现，由于仅使用数字电路部分通过技术规格书可知空闲状态下功耗为十几μA。辅助EC供电可通过MAX1776实现，通过MAX1776芯片手册可知其在待机状态（芯片待机）下功耗仅为16μA，由于在笔记本关机状态下除了充电管理电路以外仅此部分电路工作，因此仅锂电池存在时，充电管理电路不工作，笔记本的静态功耗将变为μA级，这将大大延长笔记本的存储时间。

图4 开关K5原理图

4.结语

本论文实现的是一种能够有效降低笔记本静态功耗的方案，本方案不但能实现笔记本的正常开机、关机、待机、唤醒等功能，而且还能有效地降低笔记本的静态功耗，延长笔记本存放时间，提高锂电池使用寿命。

参考文献

[1]蒋本珊.计算机组成原理[J].清华大学出版社，2008.

[2]邱关源.电路[J].高等教育出版社，2006.

[3]童诗白，华成英.模拟电子技术基础（第4版）[J].高等教育出版社，2006.

作者简介：

窦锦柱（1987―），男，山东潍坊人，山东超越数控电子有限公司工程师。

秦清松（1984―），男，山东滨州人，山东超越数控电子有限公司工程师。