現代筆記本電腦中的關(guān)鍵--綠色解決方案

電源系統設計師必需克服的一大障礙是設法降低高功率服務(wù)器的功耗水平，因為它們在這些模式中仍然將從交流電源插座或后備電池系統吸收電流。所以，人們日益強烈地要求功率轉換IC在其被置于待機或停機模式中時(shí)提供較低的靜態(tài)電流。當今的便攜式筆記本電腦設計師也面臨著(zhù)前所未有的挑戰。對高性能電源管理系統的需求便是這些挑戰中的一個(gè)。

引言

大多數工業(yè)化國家普遍認識到了節能的必要性。其原因基于這樣的現實(shí)情況，即：隨著(zhù)這些國家人口數量的增加，那些配備供暖/冷卻系統以及照明和電器的新型家居的能量需求也在日益攀升。建造新的發(fā)電廠(chǎng)肯定需要花費大量的資金，但這并不是全部，把生產(chǎn)出來(lái)的電力輸送給用戶(hù)也是一項耗資巨大的工作。人們已經(jīng)注意到，如果能夠把大多數電器目前的能耗削減15% ~ 20%，那么將比建設新的電廠(chǎng)更加經(jīng)濟劃算。

顯然，在全球范圍內，高功率電氣系統 （例如：服務(wù)器群） 的節能浪潮可謂方興未艾 —— 不管是在發(fā)電方面還是在能源消耗方面，成本節省所帶來(lái)的巨大好處都是令人信服的，任何人都無(wú)法忽視。然而，電源系統設計師必需克服的一大障礙是設法降低高功率服務(wù)器的功耗水平 （即使在其處于低功率或待機模式時(shí)也不例外），因為它們在這些模式中仍然將從交流電源插座或后備電池系統 （當在供電中斷的條件下起動(dòng)時(shí)） 吸收電流。所以，人們日益強烈地要求功率轉換IC 在其被置于待機或停機模式中時(shí)提供較低的靜態(tài)電流。

與此同時(shí)，當今的便攜式筆記本電腦設計師也面臨著(zhù)前所未有的挑戰。對高性能電源管理系統的需求 （以適應系統復雜性的日益增加以及功率預算的不斷攀升） 便是這些挑戰中的一個(gè)。這些系統努力地在諸多相互沖突的目標之間尋求著(zhù)一個(gè)最佳的平衡，這些目標包括：長(cháng)久的電池運行時(shí)間、與多種電源的兼容性、高功率密度、小外形尺寸和有效的熱管理。

雖然新型鋰電池技術(shù)有望增加能量密度，然而現狀是：安全問(wèn)題的增多抵消了電池能量密度的提高，從而促使人們采用包括較低充電 （浮動(dòng)） 電壓、熱調整和適宜溫度充電等在內的諸多充電策略。新型電池化學(xué)組成將實(shí)現較長(cháng)的運行時(shí)間，不過(guò)，它們的電壓放電范圍被擴大了，在電池電壓低于3V的條件下具有大量的可用能量。這種特性將對有關(guān)的功率轉換系統產(chǎn)生影響，因而使得同步降壓-升壓型穩壓器必需產(chǎn)生低至3V的輸出。

為什么綠色解決方案是必不可少的？

許多高功率服務(wù)器采用單級轉換或兩級轉換方法的某種組合來(lái)處理相關(guān)聯(lián)的熱問(wèn)題。散熱是一個(gè)問(wèn)題，原因有二。首先，必須使用空調來(lái)保持工作環(huán)境的涼爽，而這需要采用AC電網(wǎng)電源。其次，可能需要在服務(wù)器底盤(pán)之內布設更多的風(fēng)扇 （旨在維持足夠的氣流），以在利用率最高的時(shí)間里使關(guān)鍵的LSI數字元件保持冷卻狀態(tài)。這也需要從電網(wǎng)獲取更多的功率。然而，系統設計師面臨的一個(gè)難題是利用哪種方法來(lái)盡量滿(mǎn)足其特定的系統要求。究竟是采用單級轉換 （比如：從48V轉換至1.xV） 還是雙級轉換 （例如：從48V轉換至一個(gè)12V中間總線(xiàn)架構IBA，然后運用負載點(diǎn)POL轉換器來(lái)完成從12V至1.xV的轉換）？這個(gè)問(wèn)題很難回答，因為它取決于諸多因素，其中的一些因素已在上文中做過(guò)討論。此外，這些因素還將因系統的類(lèi)型、其配置、所用的設計方法以及眾多其他變量而有所不同。

然而，人們希望在電壓不斷下降的情況下增加電流，這種日漸增長(cháng)的需求將繼續推動(dòng)堵多此類(lèi)高功率系統的發(fā)展。該領(lǐng)域的許多成果都可歸功于功率轉換技術(shù)的進(jìn)步，特別是電源 IC和功率半導體器件的改善。一般說(shuō)來(lái)，這些元件通過(guò)允許在幾乎不影響功率轉換效率的前提下提高開(kāi)關(guān)頻率來(lái)促進(jìn)電源性能的提升。通過(guò)降低開(kāi)關(guān)損耗和通態(tài)損耗、并提供有效的散熱，便可做到這一點(diǎn)。不過(guò)，由于輸出電壓呈逐漸下降之勢，因而給這些因素施加了更大的壓力，這反過(guò)來(lái)又產(chǎn)生了重大的設計難題。

分立式電源設計和傳統型電源模塊均是和分立元件一起制作在印刷電路板上，由于需要權衡外形尺寸因素，因而導致電性能和熱性能都受到了限制。然而，關(guān)鍵是要提供一種使電性能和熱性能均有所增強的全集成電路解決方案，并提供一種便于設計新手使用的緊湊型解決方案。一種理想的解決方案是采用一個(gè)POL DC/DC模塊。在許多場(chǎng)合中，一個(gè)高性能 POL 模塊能夠解決緊湊占板面積問(wèn)題，而不會(huì )犧牲熱性能或電性能。

高功率POL穩壓器是空間受限型電源設計的一個(gè)很好的例子。此類(lèi)電源在位置上往往非?？拷粔K大型系統板上的微處理器、FPGA或ASIC，并為這些器件提供所需的全部功率。大型數字設備往往需要幾安培至100安培以上的電流。一塊大型系統板常常需要很多個(gè)這樣的POL電源，因此，如何為這些電源設計逐一分配所需的足夠空間便成了難題。另外，系統板的背面常常對高度有所限制，因此一般不適合用于電源設計。分立式功率轉換器通常會(huì )利用系統板的兩個(gè)面 （以實(shí)現緊湊型設計），而傳統的電源模塊設計則由于其高度過(guò)大的原因而只能利用系統板的頂面。設計師一般會(huì )有策略地把傳統型電源模塊布設在系統板上，旨在避免阻斷其他集成電路所需的冷卻氣流。但這經(jīng)常會(huì )導致性能劣化，因為電源穩壓器與其負載的相對位置并非最佳。

用戶(hù)對較高功率解決方案的需求還與高級筆記本電腦密切相關(guān) （原因是其計算能力有所提升）。同時(shí)，電源軌的數目也在持續地增多。這種趨勢愈發(fā)地要求人們使用多輸出開(kāi)關(guān)穩壓器解決方案，以滿(mǎn)足外形尺寸和效率目標，并把熱耗散置于受控狀態(tài)之下。此外，為了管理電池的運行時(shí)間，具有高效率 （在很寬的負載電流范圍內） 和低待機 （靜態(tài)） 電流的 DC/DC 轉換器也是不可或缺的。

另外，在大多數筆記本電腦 （它們常常采用單節鋰離子電池來(lái)供電） 中，需要若干個(gè)不同電壓軌的情況是非常普遍的。這些包括多個(gè)微處理器電壓軌和眾多的特殊功能電壓軌。因此，人們對于借助電池來(lái)提供所需功率的需求大幅度增長(cháng)。然而，電池的外形仍然較小，而且功率密度也僅實(shí)現了適度的增加。因此，電池運行時(shí)間和上佳的熱管理能力業(yè)已成為產(chǎn)品的重要賣(mài)點(diǎn)，不僅在蜂窩電話(huà)中如此，在幾乎所有的便攜手持式設備中也是這樣。市場(chǎng)對于非常緊湊和高效率多輸出同步降壓型轉換器的需求隨之而生。

由于一個(gè)給定外殼內的可用空間和冷卻條件受到諸多的限制，而且必需進(jìn)行正確的電源跟蹤以改善系統可靠性，因此使得高功率服務(wù)器用 POL DC/DC 轉換器的設計師們面臨著(zhù)許多挑戰。