電源芯片隨移動(dòng)電子設備的發(fā)展而發(fā)展

在過(guò)去二十年間，便攜式電子設備的迅速普及推動(dòng)電源芯片以令人難以置信的速度增長(cháng)，并且使電源半導體市場(chǎng)成為首當其沖的重要市場(chǎng)。二十年前，幾乎所有的電源管理芯片 (IC) 均為各種管理、監控以及轉換線(xiàn)路電源（來(lái)自于電網(wǎng)的交流電電源或者滿(mǎn)足半導體器件要求的直流電電池裝置）的器件。

由于包括手機、便攜式媒體播放器、數碼相機、個(gè)人數字助理、便攜式醫療設備、移動(dòng)視頻游戲及平臺等許多類(lèi)似設備在內的便攜式電池供電的消費類(lèi)電子應用的爆炸式增長(cháng)，這種狀況已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化?，F在，至少有一半的電源管理半導體器件被集成到便攜式設備中，這一改變的另一方面還體現在鋰離子 (Li-Ion) 電池數量的迅猛增長(cháng)上。自 2001 年以來(lái)，全球生產(chǎn)的鋰離子電池數量增長(cháng)了四倍多[1]。

事實(shí)上，對于移動(dòng)電子系統的需求以及隨之而來(lái)的對更多便攜式電源解決方案的需求，才是繁榮的電源管理集成電路市場(chǎng)背后的推動(dòng)力。半導體產(chǎn)業(yè)最近幾年的總體年增長(cháng)率約為 7%，而自 2002 年以來(lái)電源芯片一直以 15% 的總體年增長(cháng)率持續增長(cháng)[2]。并且，電源半導體有望以這種速度持續增長(cháng)到 2011 年[3]?？傮w而言，由于電源
設備的出貨量一般會(huì )超過(guò)半導體器件，因此，電子系統的電源芯片（更確切地說(shuō)也就是電池供電的移動(dòng)應用）將會(huì )顯著(zhù)增長(cháng)的說(shuō)法是勿庸置疑的。

便攜式應用的挑戰

當您對這種具有高功效、小尺寸特點(diǎn)的便攜式電源的迫切要求以及當今便攜式電源設備提供的復雜功能進(jìn)行了解時(shí)，您就會(huì )很容易地發(fā)現這種發(fā)展趨勢的根源所在。在許多移動(dòng)系統中，要滿(mǎn)足所有存在于一個(gè)單個(gè)移動(dòng)消費類(lèi)電子設備中的各種電源的要求就需要使用多個(gè)電源芯片。

例如，在二十年前，一個(gè)電子系統中的電壓軌數量很少會(huì )超過(guò)三個(gè)或者四個(gè)。今天的手機常常會(huì )擁有多達 14 個(gè)或者更多的電壓軌。膝上型電腦通常具有 11 個(gè)或者更多的電壓軌。一個(gè)電壓“軌”即為一個(gè)由電源裝置 (PSU) 提供的單電壓。每一個(gè)電壓軌通常要求一個(gè)降壓（減少）或升壓（增加）、調節以及排序的新電壓電平轉換。這種電壓軌的增長(cháng)可以被部分地歸結為摩爾定律，即集成電路的密度每?jì)赡攴环?BR>
隨著(zhù)芯片制造工藝幾何構型在過(guò)去的數年中變得越來(lái)越小，電壓電平也急劇下降，以便支持該新型工藝技術(shù)。那種大多數半導體均為 5 伏電壓器件的日子一去不復返了。例如，單個(gè)手機中的芯片擁有數個(gè)低至 0.9 伏（用于數字基帶器件）和高至 30 伏（用于一系列為鍵盤(pán)區域和顯示器提供背光照明的發(fā)光二級管）的電壓電平。

便攜式系統中芯片的低電壓電平也對系統電源設備的復雜性和精度提出了挑戰。幾年前，大多數芯片的額定電壓電平為 5 伏，電源通常被調節至 5 伏的 5% 或+250 mV 以?xún)?。而在當今許多便攜式系統中，一個(gè) 1.5V 芯片要求電壓調節在其 1.5V 電平的 1.5% 以?xún)然蛘?22 mV 以?xún)?。這表明電壓調節精度增長(cháng)了 10 倍。

充電

便攜式電子應用由電池供電并且為非線(xiàn)路供電的情況增加了系統中電源子系統的復雜性。例如，對一節電力耗盡的鋰離子電池進(jìn)行再充電并非是一個(gè)簡(jiǎn)便易行的過(guò)程。使用一個(gè)錯誤的充電曲線(xiàn)會(huì )縮短電池的有效使用壽命。

此外，一個(gè)完整的鋰離子電池充電過(guò)程由三個(gè)截然不同的階段組成。在第一個(gè)充電或預充電階段，電池經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的時(shí)間段才能獲得預充電。第二階段以恒定電流為特點(diǎn)，該階段出現在經(jīng)過(guò)一個(gè)約為整個(gè)充電周期的 20% 到 30%相對較短時(shí)間段之后。該恒定電流充電階段能將電池充電至其全部電量的大約 70% 到 80%。最后充電階段以恒定電壓為特征。這是三個(gè)充電階段中最慢的一個(gè)階段，所需時(shí)間占完成整個(gè)充電過(guò)程時(shí)間的 70% 到 80%。恒定電壓充電階段完成電池電量存儲容量的最后 20% 到 30%。為鋰離子電池監控充電過(guò)程的電源組件必須能夠管理所有這些階段，以最大化電池充電效果，并且確保最佳的電池使用壽命。

根據便攜式設備的要求，有幾種不同類(lèi)型的電池充電設備。在那些成本控制比效率更為重要的應用中，線(xiàn)性充電器提供了一種卓越的解決方案。然而，盡管開(kāi)關(guān)充電器比線(xiàn)性充電器更加昂貴，但其功效至少能達到 90%。

除充電過(guò)程本身以外，電源子系統還必須處理其它一些與電池相關(guān)的問(wèn)題。例如，一些便攜式系統具有替代電源（例如：能夠被用于電池充電的 USB 端口等）。便攜式媒體播放器可能會(huì )以一種通過(guò)連接至壁式插座的一般方法來(lái)進(jìn)行充電，或者，作為另外一種選擇，這種設備也可以通過(guò)將其 USB 端口連接到另一個(gè)設備（例如：膝上型電腦）的 USB 端口來(lái)進(jìn)行充電。

電源通道管理是一項獨特的功能，其容許便攜式系統在為電池充電過(guò)程中正常工作。電源子系統必須具有足夠的復雜程度，以便在將電源用于運行系統的同時(shí)對電池進(jìn)行充電。其它一些電池特征還可包括可能由短路引起的過(guò)壓或者過(guò)電流保護。如果這些異常因素被忽略，那么它們將會(huì )破壞系統或電池，也可能對系統和電池都造成破壞。同時(shí)，還要求對電池進(jìn)行身份認證，以避免在便攜式系統中安裝不合規格或來(lái)自配件市場(chǎng)的低質(zhì)量電池。因此通過(guò)在封裝中安裝一個(gè)身份認證芯片，就能夠使該系統保證用高質(zhì)量的電池組為系統的運行提供電力。
另一個(gè)便攜式電源子系統的重要特性是監控電池的充電電平，并將該信息傳達給用戶(hù)。這就使得用戶(hù)可以準確地知道系統在沒(méi)有進(jìn)行再充電的情況下還能工作多長(cháng)時(shí)間。如果準備在電池完全耗盡電量以前對其進(jìn)行充電，那么這樣的信息就至關(guān)重要。鋰離子電池的放電特性使此項任務(wù)變得更為復雜，并且使具有相當復雜程度的電池監控功能成為必要。

如圖 １所示，一個(gè)簡(jiǎn)單電壓監控功能并不能精確地反映出電池組的剩余使用時(shí)間量。容易讓人產(chǎn)生誤解的是，對于大多數放電循環(huán)而言，電壓監控會(huì )對在電池容量中間范圍進(jìn)行的鋰離子電池充電進(jìn)行電平評定。但是，一旦電壓下降至某一電平，電池上的剩余電荷便會(huì )在一個(gè)非常短的時(shí)間段內急劇下降。更為復雜的監控技術(shù)，例如：TI 的 Impedance Track? 技術(shù)，通過(guò)諸如電池的老化程度
、溫度、充電循環(huán)次數以及循環(huán)深度等許多方面來(lái)對電池進(jìn)行描述。通過(guò)該信息，阻抗跟蹤技術(shù)使用一種復雜的板上算法來(lái)計算出剩余電池容量，其誤差可在 1% 以?xún)取?BR>
分割電源子系統

許多便攜式系統都是基于一般由數個(gè)不同部分或分區組成的架構。并且，每一個(gè)分區均可以有其自己的一套電源要求。滿(mǎn)足這些便攜式系統中不同部分的個(gè)別需求常常要求專(zhuān)門(mén)的便攜式電源芯片。

由于其輸出功率的低電氣噪聲，線(xiàn)性穩壓器芯片通常被安裝在便攜式系統的射頻 (RF) 分區中。許多線(xiàn)性穩壓器均提供快速開(kāi)啟、調節和射頻運行需要的低噪聲。由于不需要電感，因此它們的體積都非常小，只占用少量的板級空間。

為了實(shí)施不同的照明功能，例如：數碼相機的照相閃光、為便攜式攝像機提供持續的燈光照明或者液晶顯示器和鍵盤(pán)區的背光照明等，可能同樣會(huì )需要數種 DC/DC 升壓轉換器。一個(gè)有機液晶顯示器（有機發(fā)光二極管）的明亮色彩也可能會(huì )要求一個(gè)某種等級的電壓轉換。

處理器芯片（包括通用處理器和數字信號處理器 (DSP)）均有一套其自己的電源規范。大多數處理器都是高電流、低電壓器件，要求經(jīng)過(guò)嚴格調節的電源。為了將便攜式系統的 3.3V 電源降低至處理器的 1.2V 電平，電壓轉換是最常用到的一種方法。通常，這就要求一個(gè)可以提供大電流的高效 DC/DC 轉換器。

當然，一些高度復雜的便攜式系統要求電源設備對所有或部分電源子系統進(jìn)行監控或管理。例如，電壓監控器件可以監控電源子系統，在一些響應事件發(fā)生時(shí)開(kāi)啟或者關(guān)閉該子系統。一個(gè)電源管理單元 (PMU) 將許多可能由多個(gè)分立電源器件執行的電源功能集成到一個(gè)芯片中。這種集成節省了成本、板級空間和設計時(shí)間。

向前發(fā)展的電源技術(shù)

便攜式電源技術(shù)的復雜性及寬泛范圍的多樣性反映出，不計其數的移動(dòng)電子系統已經(jīng)成為當今生活的主要產(chǎn)品。這一“便攜式 (on-the-go)”電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢在任何時(shí)候都不會(huì )立刻減緩。再者，如果過(guò)去能預示未來(lái)的一切，那么便攜式電源產(chǎn)業(yè)將會(huì )不斷地迎接并且戰勝當前新應用和新技術(shù)中出現的挑戰。

參考書(shū)目

[1] 《針對便攜式應用與 HEV 的 NiMH 鋰離子聚合物電池的全球市場(chǎng)升級》，2007 年 3 月，Institute of Information Technology, Inc.

[2] 《Databeans》，2006 年 10 月，全球標準線(xiàn)性市場(chǎng)模擬電源芯片

[3] 《Databeans》，2006 年 10 月，全球標準線(xiàn)性市場(chǎng)模擬電源芯片