守望綠色(1)

 凌力爾特公司電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理Tony Armstrong
　
　　在很多大功率系統(tǒng)中，空間和冷卻系統(tǒng)的成本都很高。因此，就任何負(fù)載點(diǎn)（POL）轉(zhuǎn)換器而言，做到緊湊、高效率并具有低靜態(tài)電流以滿足新的“綠色”標(biāo)準(zhǔn)都是極為重要。另外，很多微處理器和數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）都需要一個(gè)內(nèi)核電源和一個(gè)輸入/輸出（I/O）電源，這些電源在啟動(dòng)時(shí)必須排序。設(shè)計(jì)師們必須考慮在加電和斷電操作時(shí)內(nèi)核和 I/O 電壓源的相對(duì)電壓和時(shí)序，以符合制造商的性能規(guī)格要求。沒有恰當(dāng)?shù)碾娫磁判?，就可能出現(xiàn)閉鎖或過大的電流消耗，這有可能導(dǎo)致微處理器 I/O 端口損壞，或存儲(chǔ)器、可編程邏輯器件（PLD）、現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列（FPGA）、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等支持性器件的 I/O 端口損壞。

　　在高性能、大功率電源設(shè)計(jì)不斷需要更多功率的同時(shí)，它們?cè)诳捎秒娐钒蹇臻g上卻越來越受到限制。此外，功率密度給電源設(shè)計(jì)師帶來了極大的挑戰(zhàn)，不管設(shè)計(jì)師經(jīng)驗(yàn)是否豐富都一樣。一般情況下，要求這些電源設(shè)計(jì)具有高于 90% 的轉(zhuǎn)換效率，以限制電源的功耗和溫度。因此，電源設(shè)計(jì)的熱性能尤其重要，因?yàn)橹挥泻苄〉目臻g用來散出 DC/DC 電源轉(zhuǎn)換損耗產(chǎn)生的熱量，空氣流動(dòng)也有限。另外，這些電源必須有卓越的輸出紋波和瞬態(tài)響應(yīng)特性，同時(shí)還要限制所需外部電容量，以減小電源設(shè)計(jì)的總體尺寸。

　　在美國，僅“服務(wù)器市場(chǎng)”消耗的電能就足夠讓 5 個(gè)巨型發(fā)電廠日夜不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。此外，IDC 最近發(fā)布的一份研究報(bào)告估計(jì)了全球由于計(jì)算而使用的電能，從這份報(bào)告可以推斷出，2005年，美國服務(wù)器市場(chǎng)消耗的電能是美國所發(fā)總電能的 1.2%，供電公司因這些電能消耗而進(jìn)賬 27 億美元。從這些數(shù)據(jù)很容易理解，僅在美國，在這樣的電量消耗水平上，每年節(jié)省 1% 的電能就可能節(jié)省 2700 萬美元。

　　這個(gè)熱門問題已經(jīng)成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。自上世紀(jì) 90 年代中期以來，凌力爾特公司推出了很多同時(shí)具有高效率轉(zhuǎn)換和低靜態(tài)電流的電源管理集成電路。凌力爾特公司的很多電源管理集成電路采用了已獲專利的突發(fā)模式（Burst Mode®）技術(shù)。這種技術(shù)最大限度地降低了集成電路在備用模式時(shí)自身所需的電流。在很多情況下，這種備用靜態(tài)電流低至 10uA 至 20uA。LTC3548、LTC3410、LTC3801 和 LTC3827 都是這類具低靜態(tài)電流的產(chǎn)品。

　　凌力爾特公司面向“綠色”電源系統(tǒng)的產(chǎn)品具有很多獨(dú)特的性能優(yōu)勢(shì)。例如，我們已經(jīng)推出了適用于總線轉(zhuǎn)換器應(yīng)用的集成電路，如用于實(shí)現(xiàn)同步正向轉(zhuǎn)換器的多相（PolyPhase®）副端控制器 LTC3706。當(dāng)與凌力爾特公司的柵極驅(qū)動(dòng)器和主端控制器 LTC3705 一起使用時(shí)，兩個(gè)器件組合形成了一個(gè)完整的隔離式電源，這個(gè)隔離式電源兼有多相工作的優(yōu)勢(shì)和副端控制的速度。LTC3706 簡化了高效率、副端正向轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)。LTC3705 和 LTC3706 形成了一個(gè)堅(jiān)固和自啟動(dòng)的轉(zhuǎn)換器，無需副端控制應(yīng)用中常用的獨(dú)立偏置穩(wěn)壓器。此外，一個(gè)專有電路通過單個(gè)纖巧型脈沖變壓器對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)以及隔離勢(shì)壘兩端的直流偏置電源進(jìn)行多路轉(zhuǎn)換。
此外，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師要克服的一個(gè)巨大障礙是器件在低功率或備用模式時(shí)的功耗，因?yàn)檫@時(shí)仍然從電池吸取電流。相應(yīng)地，自上世紀(jì) 90 年代中期以來，凌力爾特公司已經(jīng)制造出很多同時(shí)具有高效率轉(zhuǎn)換和低靜態(tài)電流的電源管理集成電路。凌力爾特公司的電源管理集成電路采用了已獲專利的突發(fā)模式（Burst Mode）技術(shù)。這種技術(shù)最大限度地降低了集成電路在備用模式時(shí)自身需要的電流。在很多情況下，這種備用靜態(tài)電流低至 16uA。LTC3548、LTC3410 和 LTC3801 都是這種低靜態(tài)電流產(chǎn)品。

　　凌力爾特公司為便攜式電源管理應(yīng)用提供的產(chǎn)品有很多優(yōu)勢(shì)，其中包括：高開關(guān)頻率（高達(dá) 8MHz）、在輕負(fù)載和滿負(fù)載時(shí)高效率轉(zhuǎn)換（高達(dá) 96%）、在備用模式時(shí)有非常低的靜態(tài)電流（低至 9uA）、高集成度（如集成 MOSFET 和肖特基二極管）。體現(xiàn)這些優(yōu)勢(shì)的一個(gè)例子是凌力爾特公司最近推出的多輸出同步降壓型穩(wěn)壓器系列，這個(gè)系列的器件可組成非常緊湊的高效率解決方案。我們來看一個(gè)采用單節(jié)鋰離子電池（VBATT 啟動(dòng)時(shí)為 4.2V，然后降至 2.7V）的應(yīng)用，該應(yīng)用的 DSP 內(nèi)核以及 I/O 和存儲(chǔ)器電源需要 1.2V、1.5V、1.8V 和 0.8V 軌。采用 3mm x 3mm QFN 封裝的單片 LTC3544 可以滿足所有這些電壓需求，該器件采用一個(gè)輸入電容器，其解決方案的占板面積不到由 4 個(gè)單輸出同步降壓型穩(wěn)壓器組成的解決方案的 1/3。

　　另外，大多數(shù)由電池供電的手持式產(chǎn)品采用專用集成電路（ASIC 或 PMIC）來滿足電池充電、電源通路控制、提供多個(gè)電源電壓以及真正輸出斷接和準(zhǔn)確 USB 限流等保護(hù)功能，這是事實(shí)。采用這種方法的理由很明顯，可以用單個(gè)器件滿足所有電源管理需求。

　　不過，這種方法也有一些缺點(diǎn)。首先，ASIC 是用特殊芯片制造工藝制造，很難最大限度地提高上述每項(xiàng)功能的性能。其次，從訂貨到交貨的時(shí)間很長，這與 ASIC 的定義和開發(fā)有關(guān)，但這一點(diǎn)在要求短的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)周期的當(dāng)今時(shí)代變得更加重要了。就電源管理 ASIC 而言，常見的是，從概念到交付需要花兩年或更長時(shí)間。在當(dāng)今時(shí)代，特定產(chǎn)品的設(shè)計(jì)需求在這么長時(shí)間內(nèi)可能已經(jīng)變化 3 次或更多次了。

　　凌力爾特公司已經(jīng)采取了不同的方法，開發(fā)出了新的集成電路產(chǎn)品線，這些集成電路“集成了重要功能”，在由電池供電的便攜式產(chǎn)品中克服了所有難題。大多數(shù)由電池供電的手持式產(chǎn)品通常由交流適配器、通用串行總線（USB）電纜或鋰離子/聚合物電池供電，管理這些電源之間的電源通路是一個(gè)巨大的技術(shù)挑戰(zhàn)。直到最近，設(shè)計(jì)師們一直試圖用大量 MOSFET、運(yùn)算放大器和此類器件以分立方式實(shí)現(xiàn)這一功能，但是面臨著熱插拔、大浪涌電流等大量問題，這些問題會(huì)引起嚴(yán)重的系統(tǒng)問題。

　　大多數(shù)由電池供電的手持式產(chǎn)品的特性和功能存在共同之處，在這類應(yīng)用中可以使用集成了重要功能的 PMIC，而不會(huì)導(dǎo)致通常與用單一芯片制造工藝制造集成電路有關(guān)的性能折衷。凌力爾特公司最近面向這一領(lǐng)域推出了下一代產(chǎn)品 LTC3555，性能和功能進(jìn)一步得到提高。

　　根據(jù)大多數(shù)市場(chǎng)調(diào)查公司的數(shù)據(jù)，2007年電源管理半導(dǎo)體芯片的全球市場(chǎng)收入將達(dá)到 270 億美元。其中，亞太（包括中國）市場(chǎng)的收入將達(dá)到約 100 億美元。這使得中國成為重要地區(qū)，這不僅體現(xiàn)在生產(chǎn)上，而且體現(xiàn)在中國作為最終市場(chǎng)的重要性不斷提升上。另外，美國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)（SIA）預(yù)測(cè)，在 2007年，全球模擬半導(dǎo)體芯片市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)到約 430 億美元，其中高性能器件將占相當(dāng)大部分。這些數(shù)字背后的市場(chǎng)驅(qū)動(dòng)力量主要是蜂窩電話、智能電話、媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)字媒體廣播（DMB）系統(tǒng)和個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備（PND）等由電池供電的手持式產(chǎn)品，它們需要較長的電池工作時(shí)間和多種電源電壓。