電源與電源管理技術發展趨勢

 
Bill Hutchings
Microchip 數字信號控制器部產品市場經理

　　數字電源因其成本低、結構簡單，而在電源轉換產品中得到越來越廣泛的應用。數字電源控制器芯片的出現正進一步推動著這一發展趨勢，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正在越來越多地采用數字電源。

　　采用數字電源實現電源轉換產品，開發商在設計和商業運作中受益良多。這是因為數字電源通過可再編程軟件實現電源轉換控制，而且Microchip的數字控制器解決方案具有以下性能和特點：
　
　　.增加了功率密度

-通過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小；
-先進的開關技術使磁性元件更小。

　　.　成本更低，產品上市更快，生產更容易
-使用更少的元件實現功能豐富的設計；
-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品；
-消除了生產線調整，因元件容差問題減少；
-允許下生產線后進行配置(負載限制和通信協議等)；
-提高了自測功能，簡化/加速了產品測試。

　　.　新的高性價比特性
-適應變化的負載(容性、感性、阻性和電流要求)；
-更好的瞬態響應性能指標(不局限于線性技術)；
-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。

　　.　保護知識產權
-由存儲在受保護閃存中的軟件實現關鍵的創新IP。
一些相對的問題包括：

　　.　數字控制器成本；

　　.　設計團隊對數字控制和技術的熟悉程度和經驗深淺。

　　在OEM或設計團隊權衡數字與模擬解決方案的優劣和成本時，答案并非總是指向采用全數字技術的實現。Microchip為電源轉換行業提供處理器和模擬解決方案已經很多年。我們認為，向數字電源的轉變是一個變換過程。我們提供廣泛的解決方案，所以用戶可以根據其產品及設計團隊的資源和經驗，從中選擇最合適、最有用的解決方案來實現數字控制。

　　數字電源的技術趨勢正在從專用電源產品和開發平臺轉向容量較高的標準和半定制產品。數字電源控制器解決方案的推出使這種技術趨勢成為可能，因為數字電源控制器解決方案是更實用、經濟高效、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品可用。現在全數字電源轉換產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(如在線和離線不間斷電源)。數字電源通常也應用在太陽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。曾經制約全數字電源發展的一些障礙現在正得到解決。這包括：

　　.　小型高集成的經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驗和知識；
　　.　清楚了解用數字電源實現終端系統電源產品在商業和技術上的優勢。

　　數字電源產品的開發與開發模擬電源產品非常類似。主要的考慮事項、設計和測試參量是相同的。通常，開發一個數字電源系統較模擬解決方案的開發和測試要容易。其原因是，隨著更多的設計轉向數字領域，可以通過快速修改軟件進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和數字電源轉換專用的dsPIC DSC，與其他解決方案相比，元件數量可減少達50%。■

 
Tony Armstrong
凌力爾特公司電源產品部產品市場經理

　　2008年最大的增長機會之一將出現在由電池供電的手持設備領域。由電池供電的便攜式設備需要幾個不同的電壓軌，這是非常常見的，這種設備通常采用單個輸入源 ─ 一塊鋰離子電池。這些電壓軌包括多個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，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，電池工作時間成了大多數便攜式手持設備的一大賣點，從而產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了電池工作時間。這些轉換器具有 90% 至 95% 的效率，幾乎無需任何散熱措施。這種效率提高是以占用額外電路板空間為代價的，因為每個通道都有一個電感器，因此保持總體解決方案占板面積最小是極端重要。通過將多個通道組合到一個同步降壓型解決方案中，所有這些通道都可以用一個輸入電容器工作，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 開始時為 4.2V，之后下降到 2.7V)的應用，就可以采用這個系列的穩壓器。

　　不過，一個剛剛出現的趨勢是，便攜式設備中還包含一個微型硬盤驅動器，以實現高容量存儲能力，從而允許智能電話等產品具有高密度存儲能力。
另外，今天很多蜂窩電話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境光線中使用。白光 LED 已經成為配備相機功能的蜂窩電話的主要光源。因為白光 LED 具有現代蜂窩電話設計師所希望的多種特點：小尺寸、高光輸出、能夠提供“閃光燈”和連續“視頻”物體照明。目前已經開發出專門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設備都用彩色有源矩陣LCD來顯示用戶所需的不同信息和數據。不過，制造商面臨的挑戰是，確保用戶在任何環境中都能從這種顯示器上讀取信息。為了達到這個目的，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容量為600mAH的電池為其移動 TV 播放器供電，并提供一個較大容量的電池作為售后加裝附件。同時，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轉換成為優先保留的重點。不過，既然DMB播放器用超過90%的時間提供TV覆蓋，那么在這種模式時的功耗是非常重要的因素。出于這個原因，電源管理集成電路制造商已經采用了特殊方法，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，“綠色環境保護”概念得以普及。結果，很多電源管理產品供應商在提高功率效率方面取得了很大進步。人們普遍認為，大多數工業化國家認識到需要節約能量。這是因為，隨著這些國家人口的增加，他們需要更多的能量來為有加熱/冷卻系統、照明和家電的新家居供電。不僅建立新的發電設施耗費大量金錢，電能產生后向用戶供電的成本也很高。據觀察，與建立新的發電設施相比，將大多數家電的電流能耗降低 15% 至 20% 是更經濟的做法。

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

　　不過，2008 年的一個潛在“熱點” (如果可以這么說的話) 是無線連接性。似乎無論哪里的人都要通過電子郵件或 Web 不間斷地開展業務活動，通過短信或話音通信與朋友和家人保持聯系。結果，對實現這種“連接性”的產品將有很大需求，這類產品通常具有話音和數據傳送功能，它們或者通過GSM或CDMA等電信標準、或者用WiMAX和藍牙技術傳送話音和數據。支持這類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，這對凌力爾特這類模擬集成電路供應商將非常有益。

　　在凌力爾特公司專注的高性能市場段，其它市場區段中存在的產品重疊問題相對較小。在高性能市場區段，大多數產品都是專用的，沒有可以直接替代的產品。因此我們繼續獲得成功的關鍵因素包括：

　　.　保持對高性能模擬集成電路的高度關注；
　　.　繼續聘用、培訓并留住這一領域最好的人才；
　　.　繼續讓我們的高級 R&D 技術人員與世界各地的客戶保持直接和緊密的聯系；
　　.　通過率先上市關鍵技術和產品，保持性能領導者地位；
　　.　在如何部署我們的開發資源方面，繼續按照嚴格規定做出選擇；
　　.　繼續注意關鍵市場的變化，并敏捷迅速地做出反應。■