PowerWise性能指標(biāo)

概述

任何事物都有其標(biāo)準(zhǔn)，在類(lèi)似事物之間進(jìn)行比較時(shí)，必須引入一種度量單位。比如，測(cè)量汽車(chē)的加速度時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)的度量可以是以秒來(lái)作單位的0到60英里每小時(shí)（MPH）或0到100公里每小時(shí)（KPH）。這種度量單位表示的是汽車(chē)從完全靜止加速到60MPH（100KPH）所需的秒數(shù)。使用這種度量標(biāo)準(zhǔn)，顧客就可以用一個(gè)測(cè)量單位從汽車(chē)的幾個(gè)方面來(lái)評(píng)估汽車(chē)的價(jià)值，比如馬力/重量比、牽引性能調(diào)節(jié)、全輪驅(qū)動(dòng)的效能以及其他特性。

隨著人們對(duì)器件的能源效益要求更高，往往也要求采用上述類(lèi)似的方法來(lái)確定部件或系統(tǒng)的最佳性能/功率比。為此，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體建立起一個(gè)產(chǎn)品性能指標(biāo)作為測(cè)量器件功耗和性能水平的方法，而只有處于這些指標(biāo)上層的產(chǎn)品才能成為PowerWise?產(chǎn)品系列的成員。表1中列舉了各組件系列以及其相關(guān)的指標(biāo)和性能闕值，這些數(shù)據(jù)可幫助設(shè)計(jì)人員選出最高性能/功率比的產(chǎn)品。

表 1 – 各PowerWise產(chǎn)品系列的性能指標(biāo)

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器指標(biāo)

功率轉(zhuǎn)換是最容易理解的性能度量標(biāo)準(zhǔn)，即輸出功率(POUT)除以輸入功率(PIN)所得到的百分?jǐn)?shù)便為效率。大部分現(xiàn)代的集成轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，其效率都超過(guò)80％，但對(duì)于世界級(jí)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)說(shuō)，其效率一般要求達(dá)到85％至95％或甚至更高。集成電路（IC）的設(shè)計(jì)師可以通過(guò)采用不同的內(nèi)部架構(gòu)，以及可在負(fù)載較低時(shí)通過(guò)切換模式來(lái)降低靜態(tài)電流或直接進(jìn)入休眠模式來(lái)達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。要成為PowerWise產(chǎn)品，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司特別以拓?fù)浠驊?yīng)用去分類(lèi)，訂立出精密的性能指標(biāo)。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器指標(biāo) — 高 VIN / VOUT 比

在一個(gè)降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于輸入電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輸出電壓 (VIN / VOUT > 7)，因此系統(tǒng)的占空比是十分小的。這種限制導(dǎo)致設(shè)計(jì)人員難以在這么低的占空比下獲得高效率，而所牽涉的問(wèn)題包括是否能精確地感測(cè)到限流電流，是否有足夠的驅(qū)動(dòng)和高端開(kāi)關(guān)的開(kāi)啟時(shí)間，以及是否可以盡量降低高及低端開(kāi)關(guān)之間的死區(qū)時(shí)間（用于避免貫通電流的時(shí)間)。

相反，在一個(gè)升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，由于輸出電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于輸入電壓 (VOUT / VIN > 7)，因此在開(kāi)關(guān)會(huì)出現(xiàn)大電流以能達(dá)到所需的輸出電壓（以及負(fù)載電流）。為了有效地移除該電流的影響，便必須使用一個(gè)導(dǎo)通電阻很低的FET。在這方面一般都可通過(guò)加大FET或選用不同的工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，在設(shè)計(jì)高效升壓穩(wěn)壓器時(shí)會(huì)面對(duì)與設(shè)計(jì)降壓穩(wěn)壓器時(shí)類(lèi)似的挑戰(zhàn)，以及需要作出類(lèi)似的考慮。

在上述兩種應(yīng)用中，假如有一個(gè)器件能在正確設(shè)計(jì)的電源中以高達(dá)85％以上的效率來(lái)工作，那該器件便是PowerWise產(chǎn)品系列中的最佳例子。穩(wěn)壓器電路僅僅只是一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，因此如何與其他的無(wú)源元件（例如電感器和輸出電容器）正確匹配是很重要的。為此，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司提供了許多工具協(xié)助工程人員進(jìn)行此類(lèi)的計(jì)算，例如是WEBENCH?在線設(shè)計(jì)環(huán)境。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器指標(biāo) — 開(kāi)關(guān)頻率高于2 MHz

在選擇一個(gè)開(kāi)關(guān)功率轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)頻率時(shí)，常常需進(jìn)行系統(tǒng)折衷。在給定了紋波電流的條件下設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)換器時(shí)，隨著開(kāi)關(guān)頻率的增加，所選擇的電感值會(huì)按照下述數(shù)式給出的關(guān)系而出現(xiàn)下降。可是，電感器的滯后損耗和柵極驅(qū)動(dòng)電流將會(huì)隨著頻率而增加，這將直接影響到功率轉(zhuǎn)換的效率。假如能夠有效地管理這種折衷，便可將功率轉(zhuǎn)換器的效率提升到90％以上，而這亦是PowerWise開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的性能指標(biāo)。

低噪聲低壓降穩(wěn)壓器指標(biāo)

采用低壓降穩(wěn)壓器（LDO）似乎并不是一個(gè)節(jié)能的設(shè)計(jì)，但是在某些情況下，低壓降穩(wěn)壓器卻是最適合的選擇，尤其對(duì)那些在運(yùn)行時(shí)要求低噪聲的應(yīng)用來(lái)說(shuō)。這類(lèi)低壓降穩(wěn)壓器一般都是用于高精密的模擬負(fù)載設(shè)備中，例如射頻收發(fā)器、精密放大器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等，在這些設(shè)備中，輸出噪聲往往是設(shè)備運(yùn)行時(shí)十分關(guān)鍵的參數(shù)。而由于需使用功率來(lái)降低噪聲，因此所使用的度量方法會(huì)有一點(diǎn)不同。這包括以微伏均方根值為單位的輸出噪聲(en)除以最大輸出功率。在給定的輸出功率下，噪聲系數(shù)越小，器件的性能便越好。

LED驅(qū)動(dòng)器

改善照明系統(tǒng)效率的方法有很多。其中一個(gè)簡(jiǎn)單的方法是采用LED（發(fā)光二極管）代替白熾燈泡?，F(xiàn)代LED的每瓦流明數(shù)值遠(yuǎn)超過(guò)了鹵素?zé)襞?，因此LED在許多應(yīng)用領(lǐng)域中都替代了鹵素?zé)粽彰鳎缃煌?、汽?chē)照明、信號(hào)燈以及其他一般照明。由于LED的亮度是與通過(guò)LED的電流成比例，并且LED的電壓與電流之間呈非線性關(guān)系，因此維持電流恒定對(duì)維持穩(wěn)定的光輸出和色純度至關(guān)重要。

LED可以應(yīng)用于許多不同的領(lǐng)域，因此需要在開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器中采用不同的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以獲得所需的電流。如表1所示，當(dāng)在閃光模式下使用一個(gè)LED時(shí)，比如在數(shù)碼相機(jī)中，高電流脈沖一般都要求有90％甚至以上的效率。作為PowerWise產(chǎn)品系列中的一員，這些器件還要求進(jìn)行閃光持續(xù)時(shí)間的控制。在需要一大串LED的應(yīng)用設(shè)備中，通常都會(huì)使用升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但這種拓?fù)鋾?huì)對(duì)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器提出額外的要求。在這種模式下，效率達(dá)到85％或以上的器件方能提供卓越的性能。

此外，某些設(shè)備在電壓電源較低時(shí)需要升壓，在輸出電壓較高時(shí)又需要降壓。這種情況在采用電池供電的設(shè)備中比較常見(jiàn)。這樣也對(duì)開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器提出了額外的要求，并且降低了整個(gè)系統(tǒng)的效率。在這種LED拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，效率達(dá)到80％或以上就可視為高性能，但一般都難以達(dá)到。與降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器類(lèi)似，經(jīng)常以降壓模式（高輸入電壓到電流輸出）運(yùn)行的LED驅(qū)動(dòng)器，其效率要求則更高，一般要達(dá)到90％或以上方可看成一流的器件。除了考慮效率以外，LED也必須具有節(jié)能特性，如精確的調(diào)光控制和自適應(yīng)環(huán)境光度調(diào)節(jié)，才能有資格列入PowerWise產(chǎn)品之內(nèi)。

數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器指標(biāo)

在工業(yè)的領(lǐng)域中，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器件和系統(tǒng)的價(jià)值在于其每轉(zhuǎn)換周期所需消耗的能量。這一度量標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)是系統(tǒng)轉(zhuǎn)換器的AC性能，亦即取決于有效轉(zhuǎn)換位數(shù)(ENOB)。這一度量標(biāo)準(zhǔn)的單位為每次轉(zhuǎn)換的皮焦（pJ/轉(zhuǎn)換），可以通過(guò)ENOB或轉(zhuǎn)換器的信噪比與失真（SINAD）計(jì)算出來(lái)。

以上數(shù)式中的功率和頻率均采用國(guó)際系統(tǒng)單位，計(jì)算結(jié)果的單位為pJ/轉(zhuǎn)換。在上述公式中，P代表器件或系統(tǒng)消耗的功率，單位為瓦(W)，而ENOB代表轉(zhuǎn)換器或轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的有效轉(zhuǎn)換位數(shù)，fs則代表最大采樣頻率(Hz)。至于ch值則表示轉(zhuǎn)換器中將所有值規(guī)格化為一個(gè)單通道的通道數(shù)量。在這方面的計(jì)算，可能需要使用到SINAD的數(shù)值（如第二個(gè)公式所示）：

放大器指標(biāo)

對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行處理時(shí)，需要使用放大器對(duì)信號(hào)進(jìn)行縮放、濾波、檢測(cè)和提升增益，又或在無(wú)失真下以可預(yù)測(cè)的方式進(jìn)行修正。市面上有很多不同種類(lèi)的放大器，其中包括通用型、低噪聲、高精密度和高速電流反饋型等。無(wú)論是那一類(lèi)放大器，其總體性能指標(biāo)都是取決于放大器在無(wú)失真前提下通過(guò)信號(hào)的能力。這一指標(biāo)與帶寬有密切的關(guān)系，因此美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體所采用的性能指標(biāo)是增益帶寬乘積和放大器每一通道運(yùn)行所需功率。

由于運(yùn)算放大器的種類(lèi)繁多，因此除了性能/功率比之外，還必須引入其他的度量標(biāo)準(zhǔn)。在表1中，給出了衡量不同放大器性能的其他度量標(biāo)準(zhǔn)（比如輸入電壓噪聲），這些數(shù)值對(duì)于該類(lèi)別中的任何放大器來(lái)說(shuō)都是閾值。

放大器的性能將繼續(xù)改進(jìn)以能在較低的功耗下提供較高的速度和較大的帶寬。隨著新應(yīng)用所要求的電源軌較低，整體能耗將會(huì)下降，從而提高了性能/功率比。目前，放大器電路設(shè)計(jì)的趨勢(shì)傾向于采用單一電源的放大器，而這些放大器需要在很低的功率下提供極大的增益帶寬乘積。在設(shè)計(jì)方面，可以通過(guò)降低寄生損耗和改進(jìn)內(nèi)部結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到這個(gè)理想。

比較器指標(biāo)

與放大器相類(lèi)似，比較器的性能主要取決于在給定電流下輸出狀態(tài)改變的速度。在給定電流下一個(gè)比較器切換開(kāi)關(guān)的速度越快，其等級(jí)便越高。作為PowerWise產(chǎn)品系列的比較器，其輸出從一個(gè)狀態(tài)切換到另一個(gè)狀態(tài)的時(shí)間不能超過(guò)20 uS*uA，即轉(zhuǎn)換器可在1微秒內(nèi)完成切換而期間只需消耗20 uA的電流。如果比較器在5微秒內(nèi)切換狀態(tài)并且僅用2 uA電流，那么其等級(jí)便為10 uS*uA，有資格成為PowerWise系列的器件。

均衡器和數(shù)據(jù)緩沖器指標(biāo)

接口設(shè)備如LVDS、移動(dòng)像素鏈接MPL、電流模式邏輯(CML)等等的指標(biāo)是取決于其在高速狀態(tài)下于媒介中有效地傳送數(shù)據(jù)的能力。一般情況下，由于電纜損耗和非線性的影響，如果要更快的驅(qū)動(dòng)銅電纜就需要更高的功率。經(jīng)改進(jìn)的驅(qū)動(dòng)器加上適當(dāng)?shù)慕邮掌骱途馄鳎憧稍黾訑?shù)據(jù)的傳輸率和降低功耗，從而得出高的指標(biāo)值。

該性能指標(biāo)定義如下：

在數(shù)式中P表示驅(qū)動(dòng)器的功耗，Trr表示數(shù)據(jù)傳輸速率。PowerWise產(chǎn)品系列對(duì)均衡器的度量標(biāo)準(zhǔn)最低要求是20 pJ/bit或以上（在媒介上每傳輸一位數(shù)據(jù)所需的皮焦），而對(duì)于數(shù)據(jù)緩沖器，其指標(biāo)值必須是40 pJ/bit或以上。隨著CML的技術(shù)改進(jìn)和均衡器的進(jìn)一步加強(qiáng)，現(xiàn)已能消除對(duì)預(yù)加重和去加重的依賴性，從而將性能進(jìn)一步提高，并同時(shí)延長(zhǎng)了銅導(dǎo)線的使用。

時(shí)鐘方案指標(biāo)

隨著系統(tǒng)性能的增加，并且運(yùn)行速度越來(lái)越快，為了維持適當(dāng)?shù)耐叫院屯ㄐ?，必須采用精確的時(shí)鐘。即使是采用了高性能模/數(shù)轉(zhuǎn)換器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也需要低抖動(dòng)的時(shí)鐘，因?yàn)槿魏蔚亩秳?dòng)都將直接影響到該系統(tǒng)的性能。以下數(shù)式給出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中抖動(dòng)對(duì)信噪比的影響：

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司所采用的時(shí)鐘調(diào)節(jié)器指標(biāo)包括有功耗和和抖動(dòng)性能，如表1所示。PowerWise產(chǎn)品系列要求時(shí)鐘調(diào)節(jié)器的指標(biāo)值為每通道55 ps*mW或以上。時(shí)鐘調(diào)節(jié)器的功率越低或抖動(dòng)越少，那功率/性能比便越高。這些數(shù)值均規(guī)范化為單一通道。

音頻解決方案指標(biāo)

市面上有幾種不同類(lèi)型的音頻器件可有助降低系統(tǒng)的功耗。這不單限于低噪聲和D類(lèi)功率放大器外，還包括了許多新技術(shù)，例如是基于模擬的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲抑制技術(shù)。至于D類(lèi)放大器能否成為PowerWise產(chǎn)品器件便取決于轉(zhuǎn)換效率。PowerWise家族產(chǎn)品要求功率放大器的轉(zhuǎn)換效率必須為85％或以上。

低噪聲放大器可分為兩類(lèi)：高壓型和低壓型。這兩類(lèi)放大器的度量標(biāo)準(zhǔn)是其功耗/線性度比 — 這也是音頻器件的一個(gè)重要參數(shù)。

該性能指標(biāo)的定義如下：

在上述數(shù)式中，P表示能耗而LIN則表示放大器的線性度（ch可上文所述為通道的數(shù)量）。高壓器件 (Vcc > 30V) 的度量標(biāo)準(zhǔn)是必須小于0.88 mW/LIN，而低壓設(shè)備 (Vcc 5V) 的則不能超過(guò)0.04 mW/LINdb。

遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲抑制技術(shù)主要是使用多個(gè)麥克風(fēng)來(lái)消除環(huán)境噪聲，以便為例如移動(dòng)電話等應(yīng)用帶來(lái)更高的信噪比。

該性能指標(biāo)定義如下：

在上述公式中，P同樣表示能耗，NS則表示噪聲抑制等級(jí)。在同樣的噪聲抑制等級(jí)下，數(shù)字解決方案所需消耗的功率是模擬解決方案的10到20倍。PowerWise系列的遠(yuǎn)場(chǎng)噪聲抑制器件（FFNS）的指標(biāo)值應(yīng)不超過(guò) 0.17 mW/NSdb (DSP解決方案的約為 2.25 mW/NSdb)。

結(jié)論

美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司在設(shè)計(jì)能源效益電路上具有豐富的技術(shù)背景，特別適合使用在那些對(duì)散熱、尺寸和可靠性有高要求的應(yīng)用?，F(xiàn)今的設(shè)計(jì)注重能源效益，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司特別推出了PowerWise產(chǎn)品以協(xié)助設(shè)計(jì)工程師為其應(yīng)用選取最低功耗的產(chǎn)品。隨著對(duì)產(chǎn)品要求提高，PowerWise指標(biāo)將會(huì)越來(lái)越嚴(yán)格。同時(shí)，隨著越來(lái)越多的工程師開(kāi)始追求更高的能源效益，美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的性能指標(biāo)和產(chǎn)品將會(huì)為他們提供合適的指引和解決方案，以克服這些嚴(yán)峻的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。