電源與電源管理技術(shù)發(fā)展趨勢

 
Bill Hutchings
Microchip 數字信號控制器部產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理

　　數字電源因其成本低、結構簡(jiǎn)單，而在電源轉換產(chǎn)品中得到越來(lái)越廣泛的應用。數字電源控制器芯片的出現正進(jìn)一步推動(dòng)著(zhù)這一發(fā)展趨勢，如Microchip針對數字電源轉換的dsPIC數字信號控制器(DSC)就是這樣的芯片。數字電源解決方案與具有相同功能的全模擬電源解決方案相比，性能更佳、成本更低，因此電源轉換OEM正在越來(lái)越多地采用數字電源。

　　采用數字電源實(shí)現電源轉換產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)商在設計和商業(yè)運作中受益良多。這是因為數字電源通過(guò)可再編程軟件實(shí)現電源轉換控制，而且Microchip的數字控制器解決方案具有以下性能和特點(diǎn)：
　
　　.增加了功率密度

-通過(guò)減少元件數量和減小尺寸，縮小了系統尺寸；
-效率的提升使散熱片更??；
-先進(jìn)的開(kāi)關(guān)技術(shù)使磁性元件更小。

　　.　成本更低，產(chǎn)品上市更快，生產(chǎn)更容易
-使用更少的元件實(shí)現功能豐富的設計；
-由DSC軟件執行功率因數校正；
-降低因元件容差/漂移而引起的設計復雜性；
-利用軟件以更少的硬件平臺支持各種各樣的終端產(chǎn)品；
-消除了生產(chǎn)線(xiàn)調整，因元件容差問(wèn)題減少；
-允許下生產(chǎn)線(xiàn)后進(jìn)行配置(負載限制和通信協(xié)議等)；
-提高了自測功能，簡(jiǎn)化/加速了產(chǎn)品測試。

　　.　新的高性?xún)r(jià)比特性
-適應變化的負載(容性、感性、阻性和電流要求)；
-更好的瞬態(tài)響應性能指標(不局限于線(xiàn)性技術(shù))；
-控制電壓的變化，避免元件參數超出性能指標；
　　
　　.　增加了可靠性
-限定電源的工作參數不超出性能指標外；
-元件數量的減少有助于提高可靠性；
-成本較低的冗余選擇。

　　.　保護知識產(chǎn)權
-由存儲在受保護閃存中的軟件實(shí)現關(guān)鍵的創(chuàng )新IP。
一些相對的問(wèn)題包括：

　　.　數字控制器成本；

　　.　設計團隊對數字控制和技術(shù)的熟悉程度和經(jīng)驗深淺。

　　在OEM或設計團隊權衡數字與模擬解決方案的優(yōu)劣和成本時(shí)，答案并非總是指向采用全數字技術(shù)的實(shí)現。Microchip為電源轉換行業(yè)提供處理器和模擬解決方案已經(jīng)很多年。我們認為，向數字電源的轉變是一個(gè)變換過(guò)程。我們提供廣泛的解決方案，所以用戶(hù)可以根據其產(chǎn)品及設計團隊的資源和經(jīng)驗，從中選擇最合適、最有用的解決方案來(lái)實(shí)現數字控制。

　　數字電源的技術(shù)趨勢正在從專(zhuān)用電源產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)平臺轉向容量較高的標準和半定制產(chǎn)品。數字電源控制器解決方案的推出使這種技術(shù)趨勢成為可能，因為數字電源控制器解決方案是更實(shí)用、經(jīng)濟高效、高度集成和易用的解決方案。

　　用數字電源取代模擬電源解決方案是可行的，有很多全數字電源產(chǎn)品可用?，F在全數字電源轉換產(chǎn)品已得到電源公司的響應。這包括AC-DC電源，大功率DC-DC轉換器和純正弦波逆變器(如在線(xiàn)和離線(xiàn)不間斷電源)。數字電源通常也應用在太陽(yáng)能和其他可再生能源的逆變器系統中。
現在，數字電源轉換和數字電源管理是相當普遍的。曾經(jīng)制約全數字電源發(fā)展的一些障礙現在正得到解決。這包括：

　　.　小型高集成的經(jīng)濟型控制器解決方案，這種解決方案也具有各種終端系統電源轉換器所需的性能；
　　.　設計團隊對數字電源的經(jīng)驗和知識；
　　.　清楚了解用數字電源實(shí)現終端系統電源產(chǎn)品在商業(yè)和技術(shù)上的優(yōu)勢。

　　數字電源產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)與開(kāi)發(fā)模擬電源產(chǎn)品非常類(lèi)似。主要的考慮事項、設計和測試參量是相同的。通常，開(kāi)發(fā)一個(gè)數字電源系統較模擬解決方案的開(kāi)發(fā)和測試要容易。其原因是，隨著(zhù)更多的設計轉向數字領(lǐng)域，可以通過(guò)快速修改軟件進(jìn)行設計的修改和調整。

　　我們針對SMPS和數字轉換應用的dsPIC DSC具備眾多優(yōu)勢。這些dsPIC DSC本身包含SMPS解決方案，不需要很多的外部支持芯片，因為DSC內置有做此類(lèi)工作的外設。相對于其他解決方案，用于SMPS和數字電源轉換的dsPIC DSC不需要外部元件執行以下功能，因為dsPIC DSC都能處理：
　　.　內部電源PWM；
　　.　內部ADC；
　　.　內部精密振蕩器；
　　.　內部通信外設；
　　.　單電源電壓；
　　.　內部閃存和RAM；
　　.　小尺寸；
　　.　擴展級溫度范圍；
　　.　功率因數校正不需要分立的芯片。

　　所以，SMPS和數字電源轉換專(zhuān)用的dsPIC DSC，與其他解決方案相比，元件數量可減少達50%?！?/p>

 
Tony Armstrong
凌力爾特公司電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理

　　2008年最大的增長(cháng)機會(huì )之一將出現在由電池供電的手持設備領(lǐng)域。由電池供電的便攜式設備需要幾個(gè)不同的電壓軌，這是非常常見(jiàn)的，這種設備通常采用單個(gè)輸入源 ─ 一塊鋰離子電池。這些電壓軌包括多個(gè)微處理器軌和大量特殊功能電壓軌。因此，要求電池提供必需的功率這種需求大大增強了。不過(guò)，電池的外形尺寸仍然相對較小，因為功率密度僅獲得了些許提高。結果，電池工作時(shí)間成了大多數便攜式手持設備的一大賣(mài)點(diǎn)，從而產(chǎn)生了對非常緊湊和高效率的多路輸出同步降壓型轉換器的需求。

　　與傳統線(xiàn)性穩壓器相比，同步降壓型轉換器由于轉換效率提高而大大延長(cháng)了電池工作時(shí)間。這些轉換器具有 90% 至 95% 的效率，幾乎無(wú)需任何散熱措施。這種效率提高是以占用額外電路板空間為代價(jià)的，因為每個(gè)通道都有一個(gè)電感器，因此保持總體解決方案占板面積最小是極端重要。通過(guò)將多個(gè)通道組合到一個(gè)同步降壓型解決方案中，所有這些通道都可以用一個(gè)輸入電容器工作，從而保持解決方案占板面積最小。凌力爾特公司推出了多路輸出同步降壓型穩壓器系列，以組成這類(lèi)超緊湊、高效率的解決方案。例如，需要 1.2V、1.5V、1.8V 和 0.8V 電源軌用作 DSP 內核、I/O 和存儲器電源并采用單節鋰離子電池(VBATT 開(kāi)始時(shí)為 4.2V，之后下降到 2.7V)的應用，就可以采用這個(gè)系列的穩壓器。

　　不過(guò)，一個(gè)剛剛出現的趨勢是，便攜式設備中還包含一個(gè)微型硬盤(pán)驅動(dòng)器，以實(shí)現高容量存儲能力，從而允許智能電話(huà)等產(chǎn)品具有高密度存儲能力。
另外，今天很多蜂窩電話(huà)具有內置的數碼相機，能拍攝高分辨率照片和視頻。相機性能的提高也導致需要大功率白色光源，以使相機能在室內或暗淡的環(huán)境光線(xiàn)中使用。白光 LED 已經(jīng)成為配備相機功能的蜂窩電話(huà)的主要光源。因為白光 LED 具有現代蜂窩電話(huà)設計師所希望的多種特點(diǎn)：小尺寸、高光輸出、能夠提供“閃光燈”和連續“視頻”物體照明。目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出專(zhuān)門(mén)用作集成式相機燈的高輸出功率 LED。

　　幾乎任何由電池供電的消費類(lèi)設備都用彩色有源矩陣LCD來(lái)顯示用戶(hù)所需的不同信息和數據。不過(guò)，制造商面臨的挑戰是，確保用戶(hù)在任何環(huán)境中都能從這種顯示器上讀取信息。為了達到這個(gè)目的，制造商必須提供具有合適背光照明量的彩色LCD。這種背光照明一般由白光LED提供。這導致需要緊湊、高效率和低噪聲方法為這些LED供電。

　　另外，大多數數字媒體廣播(DMB)設備制造商都用標稱(chēng)容量為600mAH的電池為其移動(dòng) TV 播放器供電，并提供一個(gè)較大容量的電池作為售后加裝附件。同時(shí)，這些 DMB 播放器外形尺寸有限，不容許采取任何散熱措施，因此在高功能含量導致功率預算緊缺的情況下，高效率DC/DC轉換成為優(yōu)先保留的重點(diǎn)。不過(guò)，既然DMB播放器用超過(guò)90%的時(shí)間提供TV覆蓋，那么在這種模式時(shí)的功耗是非常重要的因素。出于這個(gè)原因，電源管理集成電路制造商已經(jīng)采用了特殊方法，以確保其DC/DC轉換器有非常高的轉換效率。

　　去年，由于媒體的大量報道，“綠色環(huán)境保護”概念得以普及。結果，很多電源管理產(chǎn)品供應商在提高功率效率方面取得了很大進(jìn)步。人們普遍認為，大多數工業(yè)化國家認識到需要節約能量。這是因為，隨著(zhù)這些國家人口的增加，他們需要更多的能量來(lái)為有加熱/冷卻系統、照明和家電的新家居供電。不僅建立新的發(fā)電設施耗費大量金錢(qián)，電能產(chǎn)生后向用戶(hù)供電的成本也很高。據觀(guān)察，與建立新的發(fā)電設施相比，將大多數家電的電流能耗降低 15% 至 20% 是更經(jīng)濟的做法。

　　由于建立新的發(fā)電設施成本很高，因此很多國家已經(jīng)采用了所謂的“綠色政策”，以此鼓勵制造商在最終產(chǎn)品中納入節能技術(shù)。就用于節能 DC/DC 轉換器的電源管理集成電路而言，必須具有兩個(gè)主要特點(diǎn)。首先，必須有非常高的轉換效率。其次，在備用和停機模式時(shí)必須有低靜態(tài)電流。

　　不過(guò)，2008 年的一個(gè)潛在“熱點(diǎn)” (如果可以這么說(shuō)的話(huà)) 是無(wú)線(xiàn)連接性。似乎無(wú)論哪里的人都要通過(guò)電子郵件或 Web 不間斷地開(kāi)展業(yè)務(wù)活動(dòng)，通過(guò)短信或話(huà)音通信與朋友和家人保持聯(lián)系。結果，對實(shí)現這種“連接性”的產(chǎn)品將有很大需求，這類(lèi)產(chǎn)品通常具有話(huà)音和數據傳送功能，它們或者通過(guò)GSM或CDMA等電信標準、或者用WiMAX和藍牙技術(shù)傳送話(huà)音和數據。支持這類(lèi)設備所必需的芯片組需要電源管理集成電路，以確保正確工作。不用說(shuō)，這對凌力爾特這類(lèi)模擬集成電路供應商將非常有益。

　　在凌力爾特公司專(zhuān)注的高性能市場(chǎng)段，其它市場(chǎng)區段中存在的產(chǎn)品重疊問(wèn)題相對較小。在高性能市場(chǎng)區段，大多數產(chǎn)品都是專(zhuān)用的，沒(méi)有可以直接替代的產(chǎn)品。因此我們繼續獲得成功的關(guān)鍵因素包括：

　　.　保持對高性能模擬集成電路的高度關(guān)注；
　　.　繼續聘用、培訓并留住這一領(lǐng)域最好的人才；
　　.　繼續讓我們的高級 R&D 技術(shù)人員與世界各地的客戶(hù)保持直接和緊密的聯(lián)系；
　　.　通過(guò)率先上市關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品，保持性能領(lǐng)導者地位；
　　.　在如何部署我們的開(kāi)發(fā)資源方面，繼續按照嚴格規定做出選擇；
　　.　繼續注意關(guān)鍵市場(chǎng)的變化，并敏捷迅速地做出反應?！?/p>