提升能效,讓整個(gè)世界微笑

　　飛兆半導體中國區銷(xiāo)售總監王劍介紹，功率管理IC用于多種消費產(chǎn)品和計算應用的各種功率轉換和分配電路中，包括手機、汽車(chē)電子和工業(yè)等應用。近期，人們將功率管理IC嵌入在超便攜設備、手機和膝上型電腦的智能功率管理IC中，這項集成是通過(guò)改進(jìn)制造工藝和設計技術(shù)來(lái)實(shí)現的。功率管理IC的另一項功能是照明管理。最近推出的高效率白光LED為消費產(chǎn)品、計算產(chǎn)品和手機提供了新型照明單元，可以實(shí)現從簡(jiǎn)單的功率管理到調光、智能驅動(dòng)、接口和保護功能的多種功能(如OTP、OVP、OCP、反向電池電流保護等)。

　　談及挑戰，國際整流器公司亞太區銷(xiāo)售副總裁潘大偉看到，受氣候變化、能源安全與成本、全球經(jīng)濟發(fā)展和人口增長(cháng)等問(wèn)題的影響，大眾關(guān)心的焦點(diǎn)轉移到了能效上。尤其是在家用電器市場(chǎng)內，新法規、標簽計劃和對更高性能的需求促使制造商利用永磁變速驅動(dòng)器取代采用AC感應或者有刷DC電機的機電驅動(dòng)系統。然而，電子控制單元的設計很復雜，并且涉及3個(gè)方面 - 數字、模擬和功率級。同時(shí)，設計者必須以較低的成本為大批量電器市場(chǎng)實(shí)現高性能?！　?/p>

           

　　注重系統級的電源設計

　　從市場(chǎng)角度來(lái)看，消費者期望更高的系統效率。這意味著(zhù)對整機輕載和待機功耗的關(guān)注度越來(lái)越高，也更加注重系統級電源管理。Maxim戰略市場(chǎng)應用經(jīng)理Jon Day表示，在現有半導體技術(shù)基礎上，芯片本身的效率仍在增長(cháng)，但增幅較緩。而對效率的大幅提升需要依靠電源子系統的遠端控制。使得用戶(hù)可以針對整體的系統負載進(jìn)行優(yōu)化，設計出尺寸越來(lái)越小、效率越來(lái)越高的電源。

　　ADI公司電源管理部門(mén)市場(chǎng)工程師張潔萍補充了另外一些變化，電源管理技術(shù)供應商已不僅僅局限在電源技術(shù)本身，同時(shí)更多地關(guān)注系統信號鏈的把握和系統的應用。在系統的角度，通過(guò)器件帶有的特性提升整體工作效率。比如,電源器件通過(guò)檢測系統的工作狀態(tài)，如動(dòng)態(tài)的調節輸出電壓來(lái)達到效率優(yōu)化的目的。另外，隨著(zhù)系統容量的不斷擴充及空間的考量，電源的通道數有所增加，電源器件通過(guò)檢測輸出功率，調節輸出通道的開(kāi)通與關(guān)斷來(lái)達到提升系統效率的目的。從工藝角度來(lái)看，功率器件工藝的改進(jìn)是提高效率的關(guān)鍵。

　　電源產(chǎn)品制造商面臨的兩大挑戰也許是：在產(chǎn)品壽命期內降低系統的總體擁有成本;就功耗而言使系統更經(jīng)濟，即提高工作效率以使系統更“綠色”。 凌力爾特電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)總監Tony Armstrong介紹，盡管電源管理對新式電子系統的可靠工作至關(guān)重要，但是在今天的系統中，穩壓器也許是仍然存在的最后“盲點(diǎn)”之一，人們沒(méi)有辦法直接配置或監視關(guān)鍵電源系統工作參數。因此，電源設計師一直被迫使用一大堆混在在一起的排序器、微控制器和電壓監察器，以設定基本穩壓器的啟動(dòng)和安全功能。數字可編程 DC/DC 轉換器已經(jīng)上市很多年了，特別是具備 VID 輸出電壓控制的 VRM 內核電源。不過(guò)，直接從穩壓器監視工作狀態(tài)信息的能力一直缺失，尤其是直接監視實(shí)時(shí)電流的能力。

　　使用標準串行數字總線(xiàn) (例如 I2C) 可與數字 DC/DC 轉換器實(shí)現簡(jiǎn)單和高效率的通信，PMBus 等新出現的標準方便了組件互操作性的實(shí)現。重要的穩壓器參數 (包括啟動(dòng)特性和定時(shí)、輸出電壓和電流限制、裕度調節規格、以及過(guò)壓和欠壓監控限制) 都能以數字方式直接設定，而不用電阻器和耗費空間的排序及監視產(chǎn)品來(lái)設定。此外，諸如溫度以及輸入和輸出電壓及電流等關(guān)鍵工作參數可以得到常規監視，并用來(lái)優(yōu)化系統性能和可靠性。

　　Tony Armstrong特別強調，系統設計師需要克服的一個(gè)重大障礙是，器件處于低功率或備用模式時(shí)的功耗，因為這時(shí)仍然從電池或電源插座吸取電流。因此，自上世紀 90 年代早期開(kāi)始，凌力爾特一直生產(chǎn)同時(shí)具備高效率轉換和低靜態(tài)電流的電源管理 IC。通過(guò)采用新的設計方法，以在電源管理和轉換 IC 中，在負載電流很大時(shí)實(shí)現高效率轉換，我們可以應對這一挑戰。同時(shí)，當這些 IC 置于備用或停機模式時(shí)，很多新的電源轉換產(chǎn)品也具備了較低的靜態(tài)電流，以便設計師能非常容易地發(fā)現合適的產(chǎn)品，以使其最終系統能更加環(huán)保。

　　便攜電源設計挑戰

　　便攜產(chǎn)品本來(lái)就是對電源管理非?？量痰男袠I(yè)，隨著(zhù)便攜設備越來(lái)越普及，對便攜設備的電源設計能效要求也越來(lái)越強烈，并成為電源設計的主戰場(chǎng)。

　　便攜式產(chǎn)品集成的功能越來(lái)越多，集功能娛樂(lè )于一體。對于便攜電源產(chǎn)品，由于空間的限制，要求芯片級產(chǎn)品具有更小的體積，更高的集成度，更少的外圍器件。這就意味著(zhù)電源管理IC要應對電池使用時(shí)間、高集成性、可靠性、外形因子以及成本等方面的挑戰。而目前，張潔萍認為便攜式移動(dòng)設備的電源管理系統還是存在一些技術(shù)上的難題，主要體現在：

　　1. 電源管理系統中最根本的問(wèn)題：如何提高電源效率。

　　2. 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)。

　　3. 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。

　　就便攜式產(chǎn)品的設計而言，除了上面所列的存在很多系統設計師必須克服的關(guān)鍵問(wèn)題。Tony Armstrong認為還有一個(gè)最重要的問(wèn)題是怎樣讓熱量從設備中散發(fā)出來(lái)，因為這類(lèi)設備沒(méi)有風(fēng)扇用來(lái)實(shí)現冷卻。因此，這類(lèi)產(chǎn)品內部使用的電源轉換 IC 必須是熱效率非常高的，因為電源轉換效率欠佳會(huì )產(chǎn)生熱量。這種熱量是在能量傳遞過(guò)程中于穩壓器中損失的功率產(chǎn)生的。此外，在很多便攜式設備內部，用于實(shí)現冷卻的空氣流動(dòng)有限，散熱器也受到限制，因為這類(lèi)產(chǎn)品本身的尺寸和可用空間有限。這導致在小型、緊湊的外形中，裝入的是密集排列的印刷電路板。因此，將熱量排出產(chǎn)品的途徑有限。這種熱量就等于工作環(huán)境溫度的上升，這又可能對產(chǎn)品的可靠性產(chǎn)生不利影響。