節能：有條件的自我救贖

　　便攜產(chǎn)品的挑戰

　　手持消費電子產(chǎn)品現在越來(lái)越邁向各種電子設備中為耗電量第一大戶(hù)，現在的便攜式產(chǎn)品集成的功能越來(lái)越多，產(chǎn)品性能越來(lái)越高，彩色LCD屏幕尺寸越來(lái)越大，而消費者對產(chǎn)品外形及體積要求更輕更薄，同時(shí)還要兼具更長(cháng)的續航時(shí)間。這些日益增長(cháng)的需求為便攜式移動(dòng)設備的電源管理系統帶來(lái)嚴峻的挑戰：電池能量密度的提高速度遠遠跟不上復雜度不斷提高的便攜式設備的功耗要求。此外，對于手持類(lèi)消費電子產(chǎn)品，待機功耗是一個(gè)重要指標。像手機、平板電腦等產(chǎn)品，大多數時(shí)間都處于待機狀態(tài)，如何節省待機狀態(tài)下的功耗將會(huì )影響產(chǎn)品的續航能力。

　　富士通半導體王韻預計電源管理(PMU)自身的待機功耗將在2年內降到現有的1/10- 1/20。在效率方面，富士通在電源管理產(chǎn)品中加入了智能控制，能通過(guò)核心器件的控制對電源系統進(jìn)行動(dòng)態(tài)的管理，使系統的能耗始終處于高效率低功耗的狀態(tài)。特別是在手機應用中，隨著(zhù)智能手機的大屏化和處理器性能提升，智能機已經(jīng)很難像以前功能機一樣實(shí)現超長(cháng)待機。一般來(lái)說(shuō)應用處理器(AP)中每個(gè)核需要電流1A左右。4核手機的話(huà)，就需要高達4A的電流支持。這對于手機上的PMU來(lái)說(shuō)，就需要考慮在保證高效率的前提下，如何實(shí)現大電流供電和降低芯片面積將會(huì )非常關(guān)鍵。

　　王韻還強調，未來(lái)的便攜設備中的電源產(chǎn)品要往開(kāi)源節流的方向發(fā)展，一方面對系統電源進(jìn)行快速多樣的補充，比如使用快充的方式給電池充電，或太陽(yáng)能動(dòng)能等輔助充電;另一方面想辦法減少系統功耗，比如使用動(dòng)態(tài)智能控制，減少不必要的消耗。這樣一來(lái)，對于便攜式設備的應用，怎樣提高系統性能的同時(shí)又保證芯片的面積將是電源產(chǎn)品發(fā)展的一大難點(diǎn)?！　?/p>

        凌力爾特Tony Armstrong詳細分析了這個(gè)市場(chǎng)的需求，便攜式電源應用市場(chǎng)廣泛且多樣化。產(chǎn)品包括平均消耗微瓦級功率的無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)、配備數百瓦/時(shí)電池組且放置在小推車(chē)上的醫療或數據采集系統等。不過(guò)，盡管種類(lèi)很多，但還是有幾種共同的趨勢，即設計師不斷需要產(chǎn)品提供更大的功率，以支持越來(lái)越多的功能，并需要用任何可用電源給電池充電。第一個(gè)趨勢需要增大電池的容量。不幸的是，用戶(hù)常常不耐煩等太長(cháng)時(shí)間，因此要提高容量，電池就必須在合理的時(shí)間內充完電，這就導致充電電流增大。第二個(gè)趨勢需要電池充電解決方案提供非常大的靈活性。

　　考慮一下新式手持設備，面向消費者的設備和工業(yè)設備可能包括蜂窩手機調制解調器、Wi-Fi 模塊、藍牙模塊、大型背光照明顯示器……這個(gè)組件清單還可以包括很多內容。很多手持式設備的電源架構與蜂窩手機類(lèi)似。一般情況下，將一個(gè) 3.7V 鋰離子電池作為主電源使用，因為這類(lèi)電池有較高的單位重量 (Wh/kg) 和單位體積 (Wh/ m3) 能量密度。過(guò)去，很多大功率設備使用 7.4V 鋰離子電池，以降低電流要求，但是低價(jià) 5V 電源管理 IC 面世以后，越來(lái)越多的手持式設備轉向了電壓較低的架構。平板電腦很好地說(shuō)明了這一點(diǎn)，一個(gè)典型的平板電腦包括各種重要功能和非常大 (就便攜式設備而言) 的顯示屏。當用 3.7V 電池供電時(shí)，容量必須達到數千毫安-時(shí)。為了在幾個(gè)小時(shí)內給這樣的電池充完電，需要數千毫安的充電電流。

　　不過(guò)，問(wèn)題還不僅限于大的充電電流，如果沒(méi)有大電流交流適配器可用，那么消費者還想用 USB 端口給大功率設備充電。為了滿(mǎn)足這種需求，當交流適配器可用時(shí)，電池充電器必須能以大電流 (>2A) 充電，同時(shí)仍然能高效率地利用 USB 端口提供的 2.5W 至 4.5W 功率。此外，產(chǎn)品需要保護敏感下游低壓組件免受可能的損壞及導致過(guò)壓事件，并將大電流從 USB 輸入、交流適配器或電池無(wú)縫地引導到負載，同時(shí)最大限度地降低功耗。這為電池 IC 制造商創(chuàng )造了絕好的機會(huì )，使他們有機會(huì )開(kāi)發(fā)可安全地管理電池充電算法并監視關(guān)鍵系統參數的 IC。

　　安森美半導體鄭兆雄則指出，電源技術(shù)仍在不斷地發(fā)展之中，不斷地提升能效、提高可靠性及減小尺寸等，那些同時(shí)能夠滿(mǎn)足設計人員更多設計目標的產(chǎn)品及技術(shù)，就更能受到設計人員的青睞，也更有能力改變電源市場(chǎng)格局。便攜電子設備設計人員須滿(mǎn)足消費者對更多功能、更長(cháng)電池使用時(shí)間、更薄更輕外形的需求。智能手機及平板電腦極重視能效及功率密度，因此須創(chuàng )新型新方案以配合復雜的使用需求。此外，這些產(chǎn)品的出現也推動(dòng)由傳統計算機鍵盤(pán)及鼠標接口模式邁向新的觸摸及語(yǔ)音接口模式。這就為帶手勢識別的先進(jìn)多點(diǎn)觸摸接口產(chǎn)品及直覺(jué)型語(yǔ)音接口帶來(lái)了商機。安森美半導體的高能效電源及接口方案、寬廣陣容的保護器件及先進(jìn)的微封裝方案符合未來(lái)便攜設備的需求。

　　ADI張潔萍認為，便攜式移動(dòng)設備的電源管理系統應致力于以下幾個(gè)方面：第一，電源管理系統中最根本的問(wèn)題：如何提高電源效率。第二，平衡效率與尺寸。提高頻率可以使用較小的電感，這樣可以有效的減少PCB面積。但提高頻率的同時(shí)，也會(huì )降低系統的效率，所以在工作頻率和PCB面積間需要找到一個(gè)合理的平衡點(diǎn)。第三，RF和音頻線(xiàn)路則要求電源管理系統具有更低的噪音和更高的隔離。

　　由于設計人員和技術(shù)人員正在將硅性能推向物理極限，所以，進(jìn)一步提高性能變得更為復雜，并且成本高昂。在某些情況下，以更小能耗實(shí)現更高功率密度，同時(shí)減小系統尺寸、復雜程度，并降低成本，需要采用新技術(shù)或者新材料制造組件。IR公司潘大偉介紹，IR基于GaN(氮化鎵)的功率器件技術(shù)平臺就是一個(gè)很好的例子，將引領(lǐng)電源設計走向新的高能效時(shí)代。與先進(jìn)的硅基技術(shù)平臺相比，基于GaN的功率器件技術(shù)平臺——GaNpowIR，將能使關(guān)鍵應用的優(yōu)值系數(FOM)提高10倍。IR將能提供的一些重大優(yōu)勢包括，通過(guò)專(zhuān)為大批量生產(chǎn)而設計的流程將能確保業(yè)界領(lǐng)先的質(zhì)量、供貨保證和成本結構。

　　迎接挑戰

　　電源技術(shù)仍在不斷地發(fā)展之中，不斷地提升能效、提高可靠性及減小尺寸等，那些同時(shí)能夠滿(mǎn)足設計人員更多設計目標的產(chǎn)品及技術(shù)，就更能受到設計人員的青睞，也更有能力改變電源市場(chǎng)格局。

　　鄭兆雄認為，要提升電源工作效率，一個(gè)重要手段是降低PFC段的功率損耗，故采用高能效的PFC控制技術(shù)至關(guān)重要。而在一些對外形因數有嚴格要求的應用中，如纖薄型液晶電視或筆記本適配器等，更對PFC控制器及外部元器件高度有著(zhù)嚴格要求。在這些應用中，可以采用交錯式PFC技術(shù)來(lái)幫助滿(mǎn)足設計要求。所謂交錯式PFC，是在原本單個(gè)較大功率PFC段的地方并行放置2個(gè)功率為其一半的較小功率PFC段來(lái)替代。這兩個(gè)功率較小的PFC段以180°的相移交替工作，總輸入電流(IL(tot))和輸出電流(ID(tot))紋波都將大幅降低。交錯式PFC更易于設計、便于采取模塊化途徑、散熱更好，且支持使用尺寸更小的外部元器件，從而利于纖薄設計。安森美半導體不僅推出采用2顆NCP1601控制器的分立式交錯PFC方案，更推出了單芯片2相交錯式PFC控制器NCP1631，替代2顆NCP1601，驅動(dòng)2個(gè)PFC支路，提供接近1的高功率因數。NCP1631可以實(shí)現同樣的低高度設計，適合任何需要PFC的脫機式應用，尤其是纖薄平板電視。