平衡效率和尺寸—便攜式產(chǎn)品電源管理所面臨的挑戰(zhàn)

效率和解決方案的尺寸，是與電池供電手持設(shè)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(yàn)來(lái)看，它們卻很少被手持設(shè)備設(shè)計(jì)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(rèn)，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(duì)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員意味著什么呢？讓我們從高效率電源調(diào)節(jié)的重要性開(kāi)始討論吧。

區(qū)分電源調(diào)節(jié)的優(yōu)先級(jí)

理想上，手持設(shè)備設(shè)計(jì)人員都愿意在自己的設(shè)計(jì)中為每種應(yīng)用選用最高效率的解決方案。然而，更高效的電源調(diào)節(jié)通常意味著更大的解決方案尺寸，更長(zhǎng)的材料清單以及更高的成本。相反地，手持設(shè)備行業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)卻是更低的成本以及更小的外形因子，因此，手持設(shè)備設(shè)計(jì)人員不得不區(qū)分優(yōu)先級(jí)，權(quán)衡輕重。

首先處理手持設(shè)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(cuò)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(dá)2W，毫無(wú)疑問(wèn)將損及器件的壽命。于是，第一步是確認(rèn)最恰當(dāng)?shù)牟糠?，作為高效率電源調(diào)節(jié)的目標(biāo)。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(diào)節(jié)僅僅是第一步。挑戰(zhàn)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(zhǎng)的部件的運(yùn)行功耗盡可能地小，這一點(diǎn)就相當(dāng)重要。例如，手機(jī)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(jī)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(jī)的工作時(shí)間最大限度地延長(zhǎng)。

節(jié)能的另一個(gè)策略是盡量減少系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換的次數(shù)，或者是盡量減少電池和終端應(yīng)用之間的電源IC的數(shù)目。一款效率為90％的變壓器依然會(huì)浪費(fèi)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(diào)節(jié)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(shè)計(jì)人員常常把注意力放在他們的具體應(yīng)用上，但忽視了電源設(shè)計(jì)。電源應(yīng)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(tǒng)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(nèi)同時(shí)完成這兩種模式。

優(yōu)化電路板空間

至于設(shè)計(jì)方案的尺寸，小尺寸電源IC并不一定意味著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(yàn)法則是，對(duì)于手持設(shè)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(shè)計(jì)解決方案尺寸對(duì)于手持設(shè)備設(shè)計(jì)至關(guān)重要。實(shí)際上，這兩大因素應(yīng)該被視為下一代手持設(shè)備設(shè)計(jì)的首要條件。那么，電源管理器件還應(yīng)該具備哪些特性呢？

一個(gè)因素是易于使用。手持設(shè)備設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單，因?yàn)樵O(shè)計(jì)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(dāng)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(shè)計(jì)人員們提供相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具和應(yīng)用手冊(cè)，他們正在孤軍奮戰(zhàn)，試圖成功開(kāi)發(fā)出下一個(gè)類(lèi)似iPod的產(chǎn)品呢。設(shè)計(jì)工具在便攜市場(chǎng)一直被忽略，因?yàn)閺S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(shè)備設(shè)計(jì)人員。

手持設(shè)備市場(chǎng)具有非常苛刻的開(kāi)發(fā)周期要求，以適應(yīng)消費(fèi)者不斷變化的需求。因此，攜式設(shè)備設(shè)計(jì)人員更喜歡能夠減少設(shè)計(jì)時(shí)間的IC。一個(gè)手持設(shè)備設(shè)計(jì)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(yīng)用。這意味著，需要新的電壓軌以及輸出電流值。對(duì)于設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)，每次都需要尋找新的電源解決方案、對(duì)之進(jìn)行評(píng)估、重新設(shè)計(jì)電路板、測(cè)試新系統(tǒng)，是很沒(méi)有效率的事。

另一重要因素是電源IC應(yīng)具有一定程度的可配置性。數(shù)字接口，例如I2C，可以幫助設(shè)計(jì)人員改變電壓和電流等其它參數(shù)。然而，I2C接口需要編寫(xiě)額外的軟件，這對(duì)于消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)計(jì)來(lái)講是相當(dāng)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(shè)計(jì)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(yīng)最終應(yīng)用不斷變化的需求的電源解決方案。

傳統(tǒng)的電源變壓器規(guī)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(shè)計(jì)人員面臨的主要電源挑戰(zhàn)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(duì)恰當(dāng)?shù)膯?wèn)題，對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員就極為有用。

另外，對(duì)于電源管理專(zhuān)家，有著很多的機(jī)會(huì)去定義新的器件，以支持更高性能的手持設(shè)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。



作者：Vik Sangha，

高級(jí)營(yíng)銷(xiāo)工程師

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司