守望綠色(1)

 凌力爾特公司電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Tony Armstrong
　
　　在很多大功率系統中，空間和冷卻系統的成本都很高。因此，就任何負載點(diǎn)（POL）轉換器而言，做到緊湊、高效率并具有低靜態(tài)電流以滿(mǎn)足新的“綠色”標準都是極為重要。另外，很多微處理器和數字信號處理器（DSP）都需要一個(gè)內核電源和一個(gè)輸入/輸出（I/O）電源，這些電源在啟動(dòng)時(shí)必須排序。設計師們必須考慮在加電和斷電操作時(shí)內核和 I/O 電壓源的相對電壓和時(shí)序，以符合制造商的性能規格要求。沒(méi)有恰當的電源排序，就可能出現閉鎖或過(guò)大的電流消耗，這有可能導致微處理器 I/O 端口損壞，或存儲器、可編程邏輯器件（PLD）、現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）、數據轉換器等支持性器件的 I/O 端口損壞。

　　在高性能、大功率電源設計不斷需要更多功率的同時(shí)，它們在可用電路板空間上卻越來(lái)越受到限制。此外，功率密度給電源設計師帶來(lái)了極大的挑戰，不管設計師經(jīng)驗是否豐富都一樣。一般情況下，要求這些電源設計具有高于 90% 的轉換效率，以限制電源的功耗和溫度。因此，電源設計的熱性能尤其重要，因為只有很小的空間用來(lái)散出 DC/DC 電源轉換損耗產(chǎn)生的熱量，空氣流動(dòng)也有限。另外，這些電源必須有卓越的輸出紋波和瞬態(tài)響應特性，同時(shí)還要限制所需外部電容量，以減小電源設計的總體尺寸。

　　在美國，僅“服務(wù)器市場(chǎng)”消耗的電能就足夠讓 5 個(gè)巨型發(fā)電廠(chǎng)日夜不停地運轉。此外，IDC 最近發(fā)布的一份研究報告估計了全球由于計算而使用的電能，從這份報告可以推斷出，2005年，美國服務(wù)器市場(chǎng)消耗的電能是美國所發(fā)總電能的 1.2%，供電公司因這些電能消耗而進(jìn)賬 27 億美元。從這些數據很容易理解，僅在美國，在這樣的電量消耗水平上，每年節省 1% 的電能就可能節省 2700 萬(wàn)美元。

　　這個(gè)熱門(mén)問(wèn)題已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。自上世紀 90 年代中期以來(lái)，凌力爾特公司推出了很多同時(shí)具有高效率轉換和低靜態(tài)電流的電源管理集成電路。凌力爾特公司的很多電源管理集成電路采用了已獲專(zhuān)利的突發(fā)模式（Burst Mode®）技術(shù)。這種技術(shù)最大限度地降低了集成電路在備用模式時(shí)自身所需的電流。在很多情況下，這種備用靜態(tài)電流低至 10uA 至 20uA。LTC3548、LTC3410、LTC3801 和 LTC3827 都是這類(lèi)具低靜態(tài)電流的產(chǎn)品。

　　凌力爾特公司面向“綠色”電源系統的產(chǎn)品具有很多獨特的性能優(yōu)勢。例如，我們已經(jīng)推出了適用于總線(xiàn)轉換器應用的集成電路，如用于實(shí)現同步正向轉換器的多相（PolyPhase®）副端控制器 LTC3706。當與凌力爾特公司的柵極驅動(dòng)器和主端控制器 LTC3705 一起使用時(shí)，兩個(gè)器件組合形成了一個(gè)完整的隔離式電源，這個(gè)隔離式電源兼有多相工作的優(yōu)勢和副端控制的速度。LTC3706 簡(jiǎn)化了高效率、副端正向轉換器的設計。LTC3705 和 LTC3706 形成了一個(gè)堅固和自啟動(dòng)的轉換器，無(wú)需副端控制應用中常用的獨立偏置穩壓器。此外，一個(gè)專(zhuān)有電路通過(guò)單個(gè)纖巧型脈沖變壓器對柵極驅動(dòng)信號以及隔離勢壘兩端的直流偏置電源進(jìn)行多路轉換。
此外，系統設計師要克服的一個(gè)巨大障礙是器件在低功率或備用模式時(shí)的功耗，因為這時(shí)仍然從電池吸取電流。相應地，自上世紀 90 年代中期以來(lái)，凌力爾特公司已經(jīng)制造出很多同時(shí)具有高效率轉換和低靜態(tài)電流的電源管理集成電路。凌力爾特公司的電源管理集成電路采用了已獲專(zhuān)利的突發(fā)模式（Burst Mode）技術(shù)。這種技術(shù)最大限度地降低了集成電路在備用模式時(shí)自身需要的電流。在很多情況下，這種備用靜態(tài)電流低至 16uA。LTC3548、LTC3410 和 LTC3801 都是這種低靜態(tài)電流產(chǎn)品。

　　凌力爾特公司為便攜式電源管理應用提供的產(chǎn)品有很多優(yōu)勢，其中包括：高開(kāi)關(guān)頻率（高達 8MHz）、在輕負載和滿(mǎn)負載時(shí)高效率轉換（高達 96%）、在備用模式時(shí)有非常低的靜態(tài)電流（低至 9uA）、高集成度（如集成 MOSFET 和肖特基二極管）。體現這些優(yōu)勢的一個(gè)例子是凌力爾特公司最近推出的多輸出同步降壓型穩壓器系列，這個(gè)系列的器件可組成非常緊湊的高效率解決方案。我們來(lái)看一個(gè)采用單節鋰離子電池（VBATT 啟動(dòng)時(shí)為 4.2V，然后降至 2.7V）的應用，該應用的 DSP 內核以及 I/O 和存儲器電源需要 1.2V、1.5V、1.8V 和 0.8V 軌。采用 3mm x 3mm QFN 封裝的單片 LTC3544 可以滿(mǎn)足所有這些電壓需求，該器件采用一個(gè)輸入電容器，其解決方案的占板面積不到由 4 個(gè)單輸出同步降壓型穩壓器組成的解決方案的 1/3。

　　另外，大多數由電池供電的手持式產(chǎn)品采用專(zhuān)用集成電路（ASIC 或 PMIC）來(lái)滿(mǎn)足電池充電、電源通路控制、提供多個(gè)電源電壓以及真正輸出斷接和準確 USB 限流等保護功能，這是事實(shí)。采用這種方法的理由很明顯，可以用單個(gè)器件滿(mǎn)足所有電源管理需求。

　　不過(guò)，這種方法也有一些缺點(diǎn)。首先，ASIC 是用特殊芯片制造工藝制造，很難最大限度地提高上述每項功能的性能。其次，從訂貨到交貨的時(shí)間很長(cháng)，這與 ASIC 的定義和開(kāi)發(fā)有關(guān)，但這一點(diǎn)在要求短的動(dòng)態(tài)設計周期的當今時(shí)代變得更加重要了。就電源管理 ASIC 而言，常見(jiàn)的是，從概念到交付需要花兩年或更長(cháng)時(shí)間。在當今時(shí)代，特定產(chǎn)品的設計需求在這么長(cháng)時(shí)間內可能已經(jīng)變化 3 次或更多次了。

　　凌力爾特公司已經(jīng)采取了不同的方法，開(kāi)發(fā)出了新的集成電路產(chǎn)品線(xiàn)，這些集成電路“集成了重要功能”，在由電池供電的便攜式產(chǎn)品中克服了所有難題。大多數由電池供電的手持式產(chǎn)品通常由交流適配器、通用串行總線(xiàn)（USB）電纜或鋰離子/聚合物電池供電，管理這些電源之間的電源通路是一個(gè)巨大的技術(shù)挑戰。直到最近，設計師們一直試圖用大量 MOSFET、運算放大器和此類(lèi)器件以分立方式實(shí)現這一功能，但是面臨著(zhù)熱插拔、大浪涌電流等大量問(wèn)題，這些問(wèn)題會(huì )引起嚴重的系統問(wèn)題。

　　大多數由電池供電的手持式產(chǎn)品的特性和功能存在共同之處，在這類(lèi)應用中可以使用集成了重要功能的 PMIC，而不會(huì )導致通常與用單一芯片制造工藝制造集成電路有關(guān)的性能折衷。凌力爾特公司最近面向這一領(lǐng)域推出了下一代產(chǎn)品 LTC3555，性能和功能進(jìn)一步得到提高。

　　根據大多數市場(chǎng)調查公司的數據，2007年電源管理半導體芯片的全球市場(chǎng)收入將達到 270 億美元。其中，亞太（包括中國）市場(chǎng)的收入將達到約 100 億美元。這使得中國成為重要地區，這不僅體現在生產(chǎn)上，而且體現在中國作為最終市場(chǎng)的重要性不斷提升上。另外，美國半導體行業(yè)協(xié)會(huì )（SIA）預測，在 2007年，全球模擬半導體芯片市場(chǎng)規模將達到約 430 億美元，其中高性能器件將占相當大部分。這些數字背后的市場(chǎng)驅動(dòng)力量主要是蜂窩電話(huà)、智能電話(huà)、媒體播放器、數碼相機、數字媒體廣播（DMB）系統和個(gè)人導航設備（PND）等由電池供電的手持式產(chǎn)品，它們需要較長(cháng)的電池工作時(shí)間和多種電源電壓。