平衡效率和尺寸——便攜式產(chǎn)品電源管理所面臨的挑戰

　　效率和解決方案的尺寸，是與電池供電手持設備的電源管理解決方案密切相關(guān)的兩大因素。不過(guò)，以我的經(jīng)驗來(lái)看，它們卻很少被手持設備設計人員或者最終用戶(hù)所關(guān)注。有多少次我們聽(tīng)到或者談?wù)?ldquo;該電源解決方案的效率為95％”？我承認，我也在很多次拜訪(fǎng)客戶(hù)時(shí)使用這句話(huà)作為開(kāi)場(chǎng)白。然而，我們又有多少次思考過(guò)“95％的效率”對于系統設計人員意味著(zhù)什么呢？讓我們從高效率電源調節的重要性開(kāi)始討論吧。

　　區分電源調節的優(yōu)先級

　　理想上，手持設備設計人員都愿意在自己的設計中為每種應用選用最高效率的解決方案。然而，更高效的電源調節通常意味著(zhù)更大的解決方案尺寸，更長(cháng)的材料清單以及更高的成本。相反地，手持設備行業(yè)的發(fā)展趨勢卻是更低的成本以及更小的外形因子，因此，手持設備設計人員不得不區分優(yōu)先級，權衡輕重。

　　首先處理手持設備中最耗電的部分是十分重要的。比如，使用開(kāi)關(guān)電源為最大功耗約20mW的1.8V閃存供電將是個(gè)不錯的方案。但由于其本身耗電很少，效率90％的開(kāi)關(guān)電源與效率50％的LDO相比，在電池壽命上只有微不足道的改善。

　　相反，低效率的背光顯示解決方案功耗有可能高達2W，毫無(wú)疑問(wèn)將損及器件的壽命。于是，第一步是確認最恰當的部分，作為高效率電源調節的目標。作為一個(gè)電源解決方案提供商，我非常愿意幫助我的客戶(hù)解決最困擾他們的問(wèn)題。但是提供電源調節僅僅是第一步。挑戰在于如何使電池的能量盡可能地持久。

　　盡可能減小能量消耗

　　能量定義為功率和時(shí)間的乘積。因此，讓使用時(shí)間最長(cháng)的部件的運行功耗盡可能地小，這一點(diǎn)就相當重要。例如，手機的基帶處理器從不關(guān)斷，但差不多90％以上的時(shí)間它都處于待機模式下。選擇一款具有超低漏電流（幾十微安）的電源IC可以使手機的工作時(shí)間最大限度地延長(cháng)。

　　節能的另一個(gè)策略是盡量減少系統中能量轉換的次數，或者是盡量減少電池和終端應用之間的電源IC的數目。一款效率為90％的變壓器依然會(huì )浪費掉10％的能量。如果在電源通路中使用了兩個(gè)這樣的電源IC，調節的真正效率只有81％（0.9 x 0.9），這還沒(méi)有考慮電感等無(wú)源元件的額外功耗。

　　這就是創(chuàng )新之關(guān)鍵所在。設計人員常常把注意力放在他們的具體應用上，但忽視了電源設計。電源應用專(zhuān)家卻能夠在使用相同變壓器的條件下，通過(guò)優(yōu)化系統能效的配置來(lái)改善這種情況。 舉例講，有時(shí)需要分別利用一個(gè)升壓型和降壓型變壓器，讓電壓先步升然后再步降。而更好的解決方案是使用一款降壓-升壓型變壓器，在一步內同時(shí)完成這兩種模式。

　　優(yōu)化電路板空間

　　至于設計方案的尺寸，小尺寸電源IC并不一定意味著(zhù)解決方案本身具有小尺寸。我們必須確保電容和電感等無(wú)源元件同時(shí)得到了優(yōu)化。此外，我的一個(gè)經(jīng)驗法則是，對于手持設備解決方案，在關(guān)鍵路徑的x、y或z方向上，電源IC不能是最大的元件。

　　每個(gè)電源IC提供商以及用戶(hù)都知道，效率和設計解決方案尺寸對于手持設備設計至關(guān)重要。實(shí)際上，這兩大因素應該被視為下一代手持設備設計的首要條件。那么，電源管理器件還應該具備哪些特性呢？

　　一個(gè)因素是易于使用。手持設備設計人員不是電源專(zhuān)家，他們更喜歡簡(jiǎn)單些的解決方案。例如，使用無(wú)電感的電荷泵開(kāi)關(guān)變壓器比使用磁元件的解決方案進(jìn)行設計更簡(jiǎn)單，因為設計人員不需要處理因電感而造成的更大尺寸，額外布局時(shí)間，當然也無(wú)需處理電感產(chǎn)生的噪聲問(wèn)題。

　　有必要為那些單干的設計人員們提供相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具和應用手冊，他們正在孤軍奮戰，試圖成功開(kāi)發(fā)出下一個(gè)類(lèi)似iPod的產(chǎn)品呢。設計工具在便攜市場(chǎng)一直被忽略，因為廠(chǎng)商資源主要都集中在為大型OEM客戶(hù)提供直接支持上。我們需要更多的專(zhuān)用軟件和網(wǎng)絡(luò )工具資源來(lái)幫助大批手持設備設計人員。

　　手持設備市場(chǎng)具有非?？量痰拈_(kāi)發(fā)周期要求，以適應消費者不斷變化的需求。因此，攜式設備設計人員更喜歡能夠減少設計時(shí)間的IC。一個(gè)手持設備設計解決方案是一個(gè)動(dòng)態(tài)的實(shí)體，需不斷地自我校正以提供最新的功能和應用。這意味著(zhù)，需要新的電壓軌以及輸出電流值。對于設計人員來(lái)說(shuō)，每次都需要尋找新的電源解決方案、對之進(jìn)行評估、重新設計電路板、測試新系統，是很沒(méi)有效率的事。

　　另一重要因素是電源IC應具有一定程度的可配置性。數字接口，例如I2C，可以幫助設計人員改變電壓和電流等其它參數。然而，I2C接口需要編寫(xiě)額外的軟件，這對于消費類(lèi)電子設計來(lái)講是相當罕見(jiàn)的。因此，我們必須在模擬接口開(kāi)發(fā)方面進(jìn)行創(chuàng )新，讓設計人員能夠修改自己的解決方案，或更甚之，我們必須提供能夠適應最終應用不斷變化的需求的電源解決方案。

　　傳統的電源變壓器規格，比如效率，已經(jīng)接近一個(gè)飽和值。投資把開(kāi)關(guān)變壓器的效率從95％提高到96％好處甚少。而手持設計人員面臨的主要電源挑戰仍然沒(méi)有解決。如今有些非常好的電源管理IC，只要它們針對恰當的問(wèn)題，對系統設計人員就極為有用。

　　另外，對于電源管理專(zhuān)家，有著(zhù)很多的機會(huì )去定義新的器件，以支持更高性能的手持設備。下一代手持電源管理IC將不僅僅是高效率的電源變壓器，更是卓越的問(wèn)題解決者。