電源與電源管理技術(shù)發(fā)展趨勢

 
Bill Hutchings
Microchip 數(shù)字信號控制器部產(chǎn)品市場經(jīng)理

　　數(shù)字電源因其成本低、結(jié)構(gòu)簡單，而在電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品中得到越來越廣泛的應(yīng)用。數(shù)字電源控制器芯片的出現(xiàn)正進(jìn)一步推動著這一發(fā)展趨勢，如Microchip針對數(shù)字電源轉(zhuǎn)換的dsPIC數(shù)字信號控制器(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正在越來越多地采用數(shù)字電源。

　　采用數(shù)字電源實現(xiàn)電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品，開發(fā)商在設(shè)計和商業(yè)運作中受益良多。這是因為數(shù)字電源通過可再編程軟件實現(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：
　
　　.增加了功率密度

-通過減少元件數(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
-使用更少的元件實現(xiàn)功能豐富的設(shè)計；
-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)計復(fù)雜性；
-利用軟件以更少的硬件平臺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)；
-提高了自測功能，簡化/加速了產(chǎn)品測試。

　　.　新的高性價比特性
-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)知識產(chǎn)權(quán)
-由存儲在受保護(hù)閃存中的軟件實現(xiàn)關(guān)鍵的創(chuàng)新IP。
一些相對的問題包括：

　　.　數(shù)字控制器成本；

　　.　設(shè)計團(tuán)隊對數(shù)字控制和技術(shù)的熟悉程度和經(jīng)驗深淺。

　　在OEM或設(shè)計團(tuán)隊權(quán)衡數(shù)字與模擬解決方案的優(yōu)劣和成本時，答案并非總是指向采用全數(shù)字技術(shù)的實現(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)變是一個變換過程。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)計團(tuán)隊的資源和經(jīng)驗，從中選擇最合適、最有用的解決方案來實現(xiàn)數(shù)字控制。

　　數(shù)字電源的技術(shù)趨勢正在從專用電源產(chǎn)品和開發(fā)平臺轉(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)趨勢成為可能，因為數(shù)字電源控制器解決方案是更實用、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)計團(tuán)隊對數(shù)字電源的經(jīng)驗和知識；
　　.　清楚了解用數(shù)字電源實現(xiàn)終端系統(tǒng)電源產(chǎn)品在商業(yè)和技術(shù)上的優(yōu)勢。

　　數(shù)字電源產(chǎn)品的開發(fā)與開發(fā)模擬電源產(chǎn)品非常類似。主要的考慮事項、設(shè)計和測試參量是相同的。通常，開發(fā)一個數(shù)字電源系統(tǒng)較模擬解決方案的開發(fā)和測試要容易。其原因是，隨著更多的設(shè)計轉(zhuǎn)向數(shù)字領(lǐng)域，可以通過快速修改軟件進(jìn)行設(shè)計的修改和調(diào)整。

　　我們針對SMPS和數(shù)字轉(zhuǎn)換應(yīng)用的dsPIC DSC具備眾多優(yōu)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(nèi)置有做此類工作的外設(shè)。相對于其他解決方案，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，因為dsPIC 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)換專用的dsPIC DSC，與其他解決方案相比，元件數(shù)量可減少達(dá)50%?！?/p>

 
Tony Armstrong
凌力爾特公司電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場經(jīng)理

　　2008年最大的增長機(jī)會之一將出現(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)備需要幾個不同的電壓軌，這是非常常見的，這種設(shè)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(qiáng)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(jié)果，電池工作時間成了大多數(shù)便攜式手持設(shè)備的一大賣點，從而產(chǎn)生了對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了電池工作時間。這些轉(zhuǎn)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(wěn)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(nèi)核、I/O 和存儲器電源并采用單節(jié)鋰離子電池(VBATT 開始時為 4.2V，之后下降到 2.7V)的應(yīng)用，就可以采用這個系列的穩(wěn)壓器。

　　不過，一個剛剛出現(xiàn)的趨勢是，便攜式設(shè)備中還包含一個微型硬盤驅(qū)動器，以實現(xiàn)高容量存儲能力，從而允許智能電話等產(chǎn)品具有高密度存儲能力。
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。因為白光 LED 具有現(xiàn)代蜂窩電話設(shè)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(xù)“視頻”物體照明。目前已經(jīng)開發(fā)出專門用作集成式相機(jī)燈的高輸出功率 LED。

　　幾乎任何由電池供電的消費類設(shè)備都用彩色有源矩陣LCD來顯示用戶所需的不同信息和數(shù)據(jù)。不過，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(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。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(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)化國家認(rèn)識到需要節(jié)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(tǒng)、照明和家電的新家居供電。不僅建立新的發(fā)電設(shè)施耗費大量金錢，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，因此很多國家已經(jīng)采用了所謂的“綠色政策”，以此鼓勵制造商在最終產(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，必須具有兩個主要特點。首先，必須有非常高的轉(zhuǎn)換效率。其次，在備用和停機(jī)模式時必須有低靜態(tài)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(yè)務(wù)活動，通過短信或話音通信與朋友和家人保持聯(lián)系。結(jié)果，對實現(xiàn)這種“連接性”的產(chǎn)品將有很大需求，這類產(chǎn)品通常具有話音和數(shù)據(jù)傳送功能，它們或者通過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，這對凌力爾特這類模擬集成電路供應(yīng)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(qū)段中存在的產(chǎn)品重疊問題相對較小。在高性能市場區(qū)段，大多數(shù)產(chǎn)品都是專用的，沒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 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)鍵市場的變化，并敏捷迅速地做出反應(yīng)?！?/p>