節(jié)能：有條件的自我救贖

　　便攜產(chǎn)品的挑戰(zhàn)

　　手持消費(fèi)電子產(chǎn)品現(xiàn)在越來(lái)越邁向各種電子設(shè)備中為耗電量第一大戶(hù)，現(xiàn)在的便攜式產(chǎn)品集成的功能越來(lái)越多，產(chǎn)品性能越來(lái)越高，彩色LCD屏幕尺寸越來(lái)越大，而消費(fèi)者對(duì)產(chǎn)品外形及體積要求更輕更薄，同時(shí)還要兼具更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。這些日益增長(zhǎng)的需求為便攜式移動(dòng)設(shè)備的電源管理系統(tǒng)帶來(lái)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：電池能量密度的提高速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)跟不上復(fù)雜度不斷提高的便攜式設(shè)備的功耗要求。此外，對(duì)于手持類(lèi)消費(fèi)電子產(chǎn)品，待機(jī)功耗是一個(gè)重要指標(biāo)。像手機(jī)、平板電腦等產(chǎn)品，大多數(shù)時(shí)間都處于待機(jī)狀態(tài)，如何節(jié)省待機(jī)狀態(tài)下的功耗將會(huì)影響產(chǎn)品的續(xù)航能力。

　　富士通半導(dǎo)體王韻預(yù)計(jì)電源管理(PMU)自身的待機(jī)功耗將在2年內(nèi)降到現(xiàn)有的1/10- 1/20。在效率方面，富士通在電源管理產(chǎn)品中加入了智能控制，能通過(guò)核心器件的控制對(duì)電源系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)的管理，使系統(tǒng)的能耗始終處于高效率低功耗的狀態(tài)。特別是在手機(jī)應(yīng)用中，隨著智能手機(jī)的大屏化和處理器性能提升，智能機(jī)已經(jīng)很難像以前功能機(jī)一樣實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)待機(jī)。一般來(lái)說(shuō)應(yīng)用處理器(AP)中每個(gè)核需要電流1A左右。4核手機(jī)的話，就需要高達(dá)4A的電流支持。這對(duì)于手機(jī)上的PMU來(lái)說(shuō)，就需要考慮在保證高效率的前提下，如何實(shí)現(xiàn)大電流供電和降低芯片面積將會(huì)非常關(guān)鍵。

　　王韻還強(qiáng)調(diào)，未來(lái)的便攜設(shè)備中的電源產(chǎn)品要往開(kāi)源節(jié)流的方向發(fā)展，一方面對(duì)系統(tǒng)電源進(jìn)行快速多樣的補(bǔ)充，比如使用快充的方式給電池充電，或太陽(yáng)能動(dòng)能等輔助充電;另一方面想辦法減少系統(tǒng)功耗，比如使用動(dòng)態(tài)智能控制，減少不必要的消耗。這樣一來(lái)，對(duì)于便攜式設(shè)備的應(yīng)用，怎樣提高系統(tǒng)性能的同時(shí)又保證芯片的面積將是電源產(chǎn)品發(fā)展的一大難點(diǎn)?！　?/p>

        凌力爾特Tony Armstrong詳細(xì)分析了這個(gè)市場(chǎng)的需求，便攜式電源應(yīng)用市場(chǎng)廣泛且多樣化。產(chǎn)品包括平均消耗微瓦級(jí)功率的無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)、配備數(shù)百瓦/時(shí)電池組且放置在小推車(chē)上的醫(yī)療或數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。不過(guò)，盡管種類(lèi)很多，但還是有幾種共同的趨勢(shì)，即設(shè)計(jì)師不斷需要產(chǎn)品提供更大的功率，以支持越來(lái)越多的功能，并需要用任何可用電源給電池充電。第一個(gè)趨勢(shì)需要增大電池的容量。不幸的是，用戶(hù)常常不耐煩等太長(zhǎng)時(shí)間，因此要提高容量，電池就必須在合理的時(shí)間內(nèi)充完電，這就導(dǎo)致充電電流增大。第二個(gè)趨勢(shì)需要電池充電解決方案提供非常大的靈活性。

　　考慮一下新式手持設(shè)備，面向消費(fèi)者的設(shè)備和工業(yè)設(shè)備可能包括蜂窩手機(jī)調(diào)制解調(diào)器、Wi-Fi 模塊、藍(lán)牙模塊、大型背光照明顯示器……這個(gè)組件清單還可以包括很多內(nèi)容。很多手持式設(shè)備的電源架構(gòu)與蜂窩手機(jī)類(lèi)似。一般情況下，將一個(gè) 3.7V 鋰離子電池作為主電源使用，因?yàn)檫@類(lèi)電池有較高的單位重量 (Wh/kg) 和單位體積 (Wh/ m3) 能量密度。過(guò)去，很多大功率設(shè)備使用 7.4V 鋰離子電池，以降低電流要求，但是低價(jià) 5V 電源管理 IC 面世以后，越來(lái)越多的手持式設(shè)備轉(zhuǎn)向了電壓較低的架構(gòu)。平板電腦很好地說(shuō)明了這一點(diǎn)，一個(gè)典型的平板電腦包括各種重要功能和非常大 (就便攜式設(shè)備而言) 的顯示屏。當(dāng)用 3.7V 電池供電時(shí)，容量必須達(dá)到數(shù)千毫安-時(shí)。為了在幾個(gè)小時(shí)內(nèi)給這樣的電池充完電，需要數(shù)千毫安的充電電流。

　　不過(guò)，問(wèn)題還不僅限于大的充電電流，如果沒(méi)有大電流交流適配器可用，那么消費(fèi)者還想用 USB 端口給大功率設(shè)備充電。為了滿(mǎn)足這種需求，當(dāng)交流適配器可用時(shí)，電池充電器必須能以大電流 (>2A) 充電，同時(shí)仍然能高效率地利用 USB 端口提供的 2.5W 至 4.5W 功率。此外，產(chǎn)品需要保護(hù)敏感下游低壓組件免受可能的損壞及導(dǎo)致過(guò)壓事件，并將大電流從 USB 輸入、交流適配器或電池?zé)o縫地引導(dǎo)到負(fù)載，同時(shí)最大限度地降低功耗。這為電池 IC 制造商創(chuàng)造了絕好的機(jī)會(huì)，使他們有機(jī)會(huì)開(kāi)發(fā)可安全地管理電池充電算法并監(jiān)視關(guān)鍵系統(tǒng)參數(shù)的 IC。

　　安森美半導(dǎo)體鄭兆雄則指出，電源技術(shù)仍在不斷地發(fā)展之中，不斷地提升能效、提高可靠性及減小尺寸等，那些同時(shí)能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)人員更多設(shè)計(jì)目標(biāo)的產(chǎn)品及技術(shù)，就更能受到設(shè)計(jì)人員的青睞，也更有能力改變電源市場(chǎng)格局。便攜電子設(shè)備設(shè)計(jì)人員須滿(mǎn)足消費(fèi)者對(duì)更多功能、更長(zhǎng)電池使用時(shí)間、更薄更輕外形的需求。智能手機(jī)及平板電腦極重視能效及功率密度，因此須創(chuàng)新型新方案以配合復(fù)雜的使用需求。此外，這些產(chǎn)品的出現(xiàn)也推動(dòng)由傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)鍵盤(pán)及鼠標(biāo)接口模式邁向新的觸摸及語(yǔ)音接口模式。這就為帶手勢(shì)識(shí)別的先進(jìn)多點(diǎn)觸摸接口產(chǎn)品及直覺(jué)型語(yǔ)音接口帶來(lái)了商機(jī)。安森美半導(dǎo)體的高能效電源及接口方案、寬廣陣容的保護(hù)器件及先進(jìn)的微封裝方案符合未來(lái)便攜設(shè)備的需求。

　　ADI張潔萍認(rèn)為，便攜式移動(dòng)設(shè)備的電源管理系統(tǒng)應(yīng)致力于以下幾個(gè)方面：第一，電源管理系統(tǒng)中最根本的問(wèn)題：如何提高電源效率。第二，平衡效率與尺寸。提高頻率可以使用較小的電感，這樣可以有效的減少PCB面積。但提高頻率的同時(shí)，也會(huì)降低系統(tǒng)的效率，所以在工作頻率和PCB面積間需要找到一個(gè)合理的平衡點(diǎn)。第三，RF和音頻線路則要求電源管理系統(tǒng)具有更低的噪音和更高的隔離。

　　由于設(shè)計(jì)人員和技術(shù)人員正在將硅性能推向物理極限，所以，進(jìn)一步提高性能變得更為復(fù)雜，并且成本高昂。在某些情況下，以更小能耗實(shí)現(xiàn)更高功率密度，同時(shí)減小系統(tǒng)尺寸、復(fù)雜程度，并降低成本，需要采用新技術(shù)或者新材料制造組件。IR公司潘大偉介紹，IR基于GaN(氮化鎵)的功率器件技術(shù)平臺(tái)就是一個(gè)很好的例子，將引領(lǐng)電源設(shè)計(jì)走向新的高能效時(shí)代。與先進(jìn)的硅基技術(shù)平臺(tái)相比，基于GaN的功率器件技術(shù)平臺(tái)——GaNpowIR，將能使關(guān)鍵應(yīng)用的優(yōu)值系數(shù)(FOM)提高10倍。IR將能提供的一些重大優(yōu)勢(shì)包括，通過(guò)專(zhuān)為大批量生產(chǎn)而設(shè)計(jì)的流程將能確保業(yè)界領(lǐng)先的質(zhì)量、供貨保證和成本結(jié)構(gòu)。

　　迎接挑戰(zhàn)

　　電源技術(shù)仍在不斷地發(fā)展之中，不斷地提升能效、提高可靠性及減小尺寸等，那些同時(shí)能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)人員更多設(shè)計(jì)目標(biāo)的產(chǎn)品及技術(shù)，就更能受到設(shè)計(jì)人員的青睞，也更有能力改變電源市場(chǎng)格局。

　　鄭兆雄認(rèn)為，要提升電源工作效率，一個(gè)重要手段是降低PFC段的功率損耗，故采用高能效的PFC控制技術(shù)至關(guān)重要。而在一些對(duì)外形因數(shù)有嚴(yán)格要求的應(yīng)用中，如纖薄型液晶電視或筆記本適配器等，更對(duì)PFC控制器及外部元器件高度有著嚴(yán)格要求。在這些應(yīng)用中，可以采用交錯(cuò)式PFC技術(shù)來(lái)幫助滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。所謂交錯(cuò)式PFC，是在原本單個(gè)較大功率PFC段的地方并行放置2個(gè)功率為其一半的較小功率PFC段來(lái)替代。這兩個(gè)功率較小的PFC段以180°的相移交替工作，總輸入電流(IL(tot))和輸出電流(ID(tot))紋波都將大幅降低。交錯(cuò)式PFC更易于設(shè)計(jì)、便于采取模塊化途徑、散熱更好，且支持使用尺寸更小的外部元器件，從而利于纖薄設(shè)計(jì)。安森美半導(dǎo)體不僅推出采用2顆NCP1601控制器的分立式交錯(cuò)PFC方案，更推出了單芯片2相交錯(cuò)式PFC控制器NCP1631，替代2顆NCP1601，驅(qū)動(dòng)2個(gè)PFC支路，提供接近1的高功率因數(shù)。NCP1631可以實(shí)現(xiàn)同樣的低高度設(shè)計(jì)，適合任何需要PFC的脫機(jī)式應(yīng)用，尤其是纖薄平板電視。