電源與電源管理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

 
Bill Hutchings
Microchip 數(shù)字信號(hào)控制器部產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理

　　數(shù)字電源因其成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而在電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。數(shù)字電源控制器芯片的出現(xiàn)正進(jìn)一步推動(dòng)著這一發(fā)展趨勢(shì)，如Microchip針對(duì)數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的dsPIC數(shù)字信號(hào)控制器(DSC)就是這樣的芯片。數(shù)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(zhuǎn)換OEM正在越來(lái)越多地采用數(shù)字電源。

　　采用數(shù)字電源實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品，開(kāi)發(fā)商在設(shè)計(jì)和商業(yè)運(yùn)作中受益良多。這是因?yàn)閿?shù)字電源通過(guò)可再編程軟件實(shí)現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換控制，而且Microchip的數(shù)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(shù)量和減小尺寸，縮小了系統(tǒng)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(xiàn)功能豐富的設(shè)計(jì)；
-由DSC軟件執(zhí)行功率因數(shù)校正；
-降低因元件容差/漂移而引起的設(shè)計(jì)復(fù)雜性；
-利用軟件以更少的硬件平臺(tái)支持各種各樣的終端產(chǎn)品；
-消除了生產(chǎn)線調(diào)整，因元件容差問(wèn)題減少；
-允許下生產(chǎn)線后進(jìn)行配置(負(fù)載限制和通信協(xié)議等)；
-提高了自測(cè)功能，簡(jiǎn)化/加速了產(chǎn)品測(cè)試。

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

　　.　保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)
-由存儲(chǔ)在受保護(hù)閃存中的軟件實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵的創(chuàng)新IP。
一些相對(duì)的問(wèn)題包括：

　　.　數(shù)字控制器成本；

　　.　設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)數(shù)字控制和技術(shù)的熟悉程度和經(jīng)驗(yàn)深淺。

　　在OEM或設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)權(quán)衡數(shù)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(shù)字技術(shù)的實(shí)現(xiàn)。Microchip為電源轉(zhuǎn)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(rèn)為，向數(shù)字電源的轉(zhuǎn)變是一個(gè)變換過(guò)程。我們提供廣泛的解決方案，所以用戶可以根據(jù)其產(chǎn)品及設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的資源和經(jīng)驗(yàn)，從中選擇最合適、最有用的解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制。

　　數(shù)字電源的技術(shù)趨勢(shì)正在從專(zhuān)用電源產(chǎn)品和開(kāi)發(fā)平臺(tái)轉(zhuǎn)向容量較高的標(biāo)準(zhǔn)和半定制產(chǎn)品。數(shù)字電源控制器解決方案的推出使這種技術(shù)趨勢(shì)成為可能，因?yàn)閿?shù)字電源控制器解決方案是更實(shí)用、經(jīng)濟(jì)高效、高度集成和易用的解決方案。

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

　　.　小型高集成的經(jīng)濟(jì)型控制器解決方案，這種解決方案也具有各種終端系統(tǒng)電源轉(zhuǎn)換器所需的性能；
　　.　設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)對(duì)數(shù)字電源的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)；
　　.　清楚了解用數(shù)字電源實(shí)現(xiàn)終端系統(tǒng)電源產(chǎn)品在商業(yè)和技術(shù)上的優(yōu)勢(shì)。

　　數(shù)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(xiàng)、設(shè)計(jì)和測(cè)試參量是相同的。通常，開(kāi)發(fā)一個(gè)數(shù)字電源系統(tǒng)較模擬解決方案的開(kāi)發(fā)和測(cè)試要容易。其原因是，隨著更多的設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)向數(shù)字領(lǐng)域，可以通過(guò)快速修改軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)的修改和調(diào)整。

　　我們針對(duì)SMPS和數(shù)字轉(zhuǎn)換應(yīng)用的dsPIC DSC具備眾多優(yōu)勢(shì)。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?yàn)镈SC內(nèi)置有做此類(lèi)工作的外設(shè)。相對(duì)于其他解決方案，用于SMPS和數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的dsPIC DSC不需要外部元件執(zhí)行以下功能，因?yàn)閐sPIC DSC都能處理：
　　.　內(nèi)部電源PWM；
　　.　內(nèi)部ADC；
　　.　內(nèi)部精密振蕩器；
　　.　內(nèi)部通信外設(shè)；
　　.　單電源電壓；
　　.　內(nèi)部閃存和RAM；
　　.　小尺寸；
　　.　擴(kuò)展級(jí)溫度范圍；
　　.　功率因數(shù)校正不需要分立的芯片。

　　所以，SMPS和數(shù)字電源轉(zhuǎn)換專(zhuān)用的dsPIC DSC，與其他解決方案相比，元件數(shù)量可減少達(dá)50%。■

 
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(zhǎng)機(jī)會(huì)之一將出現(xiàn)在由電池供電的手持設(shè)備領(lǐng)域。由電池供電的便攜式設(shè)備需要幾個(gè)不同的電壓軌，這是非常常見(jiàn)的，這種設(shè)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(qiáng)了。不過(guò)，電池的外形尺寸仍然相對(duì)較小，因?yàn)楣β拭芏葍H獲得了些許提高。結(jié)果，電池工作時(shí)間成了大多數(shù)便攜式手持設(shè)備的一大賣(mài)點(diǎn)，從而產(chǎn)生了對(duì)非常緊湊和高效率的多路輸出同步降壓型轉(zhuǎn)換器的需求。

　　與傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器相比，同步降壓型轉(zhuǎn)換器由于轉(zhuǎn)換效率提高而大大延長(zhǎng)了電池工作時(shí)間。這些轉(zhuǎn)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?yàn)槊總€(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(wěn)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(nèi)核、I/O 和存儲(chǔ)器電源并采用單節(jié)鋰離子電池(VBATT 開(kāi)始時(shí)為 4.2V，之后下降到 2.7V)的應(yīng)用，就可以采用這個(gè)系列的穩(wěn)壓器。

　　不過(guò)，一個(gè)剛剛出現(xiàn)的趨勢(shì)是，便攜式設(shè)備中還包含一個(gè)微型硬盤(pán)驅(qū)動(dòng)器，以實(shí)現(xiàn)高容量存儲(chǔ)能力，從而允許智能電話等產(chǎn)品具有高密度存儲(chǔ)能力。
另外，今天很多蜂窩電話具有內(nèi)置的數(shù)碼相機(jī)，能拍攝高分辨率照片和視頻。相機(jī)性能的提高也導(dǎo)致需要大功率白色光源，以使相機(jī)能在室內(nèi)或暗淡的環(huán)境光線中使用。白光 LED 已經(jīng)成為配備相機(jī)功能的蜂窩電話的主要光源。因?yàn)榘坠?LED 具有現(xiàn)代蜂窩電話設(shè)計(jì)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(xù)“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(jī)燈的高輸出功率 LED。

　　幾乎任何由電池供電的消費(fèi)類(lèi)設(shè)備都用彩色有源矩陣LCD來(lái)顯示用戶所需的不同信息和數(shù)據(jù)。不過(guò)，制造商面臨的挑戰(zhàn)是，確保用戶在任何環(huán)境中都能從這種顯示器上讀取信息。為了達(dá)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(dǎo)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(shù)數(shù)字媒體廣播(DMB)設(shè)備制造商都用標(biāo)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(dǎo)致功率預(yù)算緊缺的情況下，高效率DC/DC轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器有非常高的轉(zhuǎn)換效率。

　　去年，由于媒體的大量報(bào)道，“綠色環(huán)境保護(hù)”概念得以普及。結(jié)果，很多電源管理產(chǎn)品供應(yīng)商在提高功率效率方面取得了很大進(jìn)步。人們普遍認(rèn)為，大多數(shù)工業(yè)化國(guó)家認(rèn)識(shí)到需要節(jié)約能量。這是因?yàn)椋S著這些國(guó)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(tǒng)、照明和家電的新家居供電。不僅建立新的發(fā)電設(shè)施耗費(fèi)大量金錢(qián)，電能產(chǎn)生后向用戶供電的成本也很高。據(jù)觀察，與建立新的發(fā)電設(shè)施相比，將大多數(shù)家電的電流能耗降低 15% 至 20% 是更經(jīng)濟(jì)的做法。

　　由于建立新的發(fā)電設(shè)施成本很高，因此很多國(guó)家已經(jīng)采用了所謂的“綠色政策”，以此鼓勵(lì)制造商在最終產(chǎn)品中納入節(jié)能技術(shù)。就用于節(jié)能 DC/DC 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率。其次，在備用和停機(jī)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) 是無(wú)線連接性。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)短信或話音通信與朋友和家人保持聯(lián)系。結(jié)果，對(duì)實(shí)現(xiàn)這種“連接性”的產(chǎn)品將有很大需求，這類(lèi)產(chǎn)品通常具有話音和數(shù)據(jù)傳送功能，它們或者通過(guò)GSM或CDMA等電信標(biāo)準(zhǔn)、或者用WiMAX和藍(lán)牙技術(shù)傳送話音和數(shù)據(jù)。支持這類(lèi)設(shè)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(duì)凌力爾特這類(lèi)模擬集成電路供應(yīng)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(qū)段中存在的產(chǎn)品重疊問(wèn)題相對(duì)較小。在高性能市場(chǎng)區(qū)段，大多數(shù)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(xù)獲得成功的關(guān)鍵因素包括：

　　.　保持對(duì)高性能模擬集成電路的高度關(guān)注；
　　.　繼續(xù)聘用、培訓(xùn)并留住這一領(lǐng)域最好的人才；
　　.　繼續(xù)讓我們的高級(jí) R&D 技術(shù)人員與世界各地的客戶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(dǎo)者地位；
　　.　在如何部署我們的開(kāi)發(fā)資源方面，繼續(xù)按照嚴(yán)格規(guī)定做出選擇；
　　.　繼續(xù)注意關(guān)鍵市場(chǎng)的變化，并敏捷迅速地做出反應(yīng)。■