電源芯片隨移動(dòng)電子設(shè)備的發(fā)展而發(fā)展

在過(guò)去二十年間，便攜式電子設(shè)備的迅速普及推動(dòng)電源芯片以令人難以置信的速度增長(zhǎng)，并且使電源半導(dǎo)體市場(chǎng)成為首當(dāng)其沖的重要市場(chǎng)。二十年前，幾乎所有的電源管理芯片 (IC) 均為各種管理、監(jiān)控以及轉(zhuǎn)換線路電源（來(lái)自于電網(wǎng)的交流電電源或者滿足半導(dǎo)體器件要求的直流電電池裝置）的器件。

由于包括手機(jī)、便攜式媒體播放器、數(shù)碼相機(jī)、個(gè)人數(shù)字助理、便攜式醫(yī)療設(shè)備、移動(dòng)視頻游戲及平臺(tái)等許多類(lèi)似設(shè)備在內(nèi)的便攜式電池供電的消費(fèi)類(lèi)電子應(yīng)用的爆炸式增長(zhǎng)，這種狀況已經(jīng)發(fā)生了翻天覆地的變化。現(xiàn)在，至少有一半的電源管理半導(dǎo)體器件被集成到便攜式設(shè)備中，這一改變的另一方面還體現(xiàn)在鋰離子 (Li-Ion) 電池?cái)?shù)量的迅猛增長(zhǎng)上。自 2001 年以來(lái)，全球生產(chǎn)的鋰離子電池?cái)?shù)量增長(zhǎng)了四倍多[1]。

事實(shí)上，對(duì)于移動(dòng)電子系統(tǒng)的需求以及隨之而來(lái)的對(duì)更多便攜式電源解決方案的需求，才是繁榮的電源管理集成電路市場(chǎng)背后的推動(dòng)力。半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)最近幾年的總體年增長(zhǎng)率約為 7%，而自 2002 年以來(lái)電源芯片一直以 15% 的總體年增長(zhǎng)率持續(xù)增長(zhǎng)[2]。并且，電源半導(dǎo)體有望以這種速度持續(xù)增長(zhǎng)到 2011 年[3]?？傮w而言，由于電源
設(shè)備的出貨量一般會(huì)超過(guò)半導(dǎo)體器件，因此，電子系統(tǒng)的電源芯片（更確切地說(shuō)也就是電池供電的移動(dòng)應(yīng)用）將會(huì)顯著增長(zhǎng)的說(shuō)法是勿庸置疑的。

便攜式應(yīng)用的挑戰(zhàn)

當(dāng)您對(duì)這種具有高功效、小尺寸特點(diǎn)的便攜式電源的迫切要求以及當(dāng)今便攜式電源設(shè)備提供的復(fù)雜功能進(jìn)行了解時(shí)，您就會(huì)很容易地發(fā)現(xiàn)這種發(fā)展趨勢(shì)的根源所在。在許多移動(dòng)系統(tǒng)中，要滿足所有存在于一個(gè)單個(gè)移動(dòng)消費(fèi)類(lèi)電子設(shè)備中的各種電源的要求就需要使用多個(gè)電源芯片。

例如，在二十年前，一個(gè)電子系統(tǒng)中的電壓軌數(shù)量很少會(huì)超過(guò)三個(gè)或者四個(gè)。今天的手機(jī)常常會(huì)擁有多達(dá) 14 個(gè)或者更多的電壓軌。膝上型電腦通常具有 11 個(gè)或者更多的電壓軌。一個(gè)電壓“軌”即為一個(gè)由電源裝置 (PSU) 提供的單電壓。每一個(gè)電壓軌通常要求一個(gè)降壓（減少）或升壓（增加）、調(diào)節(jié)以及排序的新電壓電平轉(zhuǎn)換。這種電壓軌的增長(zhǎng)可以被部分地歸結(jié)為摩爾定律，即集成電路的密度每?jī)赡攴环?BR>
隨著芯片制造工藝幾何構(gòu)型在過(guò)去的數(shù)年中變得越來(lái)越小，電壓電平也急劇下降，以便支持該新型工藝技術(shù)。那種大多數(shù)半導(dǎo)體均為 5 伏電壓器件的日子一去不復(fù)返了。例如，單個(gè)手機(jī)中的芯片擁有數(shù)個(gè)低至 0.9 伏（用于數(shù)字基帶器件）和高至 30 伏（用于一系列為鍵盤(pán)區(qū)域和顯示器提供背光照明的發(fā)光二級(jí)管）的電壓電平。

便攜式系統(tǒng)中芯片的低電壓電平也對(duì)系統(tǒng)電源設(shè)備的復(fù)雜性和精度提出了挑戰(zhàn)。幾年前，大多數(shù)芯片的額定電壓電平為 5 伏，電源通常被調(diào)節(jié)至 5 伏的 5% 或+250 mV 以?xún)?nèi)。而在當(dāng)今許多便攜式系統(tǒng)中，一個(gè) 1.5V 芯片要求電壓調(diào)節(jié)在其 1.5V 電平的 1.5% 以?xún)?nèi)或者+22 mV 以?xún)?nèi)。這表明電壓調(diào)節(jié)精度增長(zhǎng)了 10 倍。

充電

便攜式電子應(yīng)用由電池供電并且為非線路供電的情況增加了系統(tǒng)中電源子系統(tǒng)的復(fù)雜性。例如，對(duì)一節(jié)電力耗盡的鋰離子電池進(jìn)行再充電并非是一個(gè)簡(jiǎn)便易行的過(guò)程。使用一個(gè)錯(cuò)誤的充電曲線會(huì)縮短電池的有效使用壽命。

此外，一個(gè)完整的鋰離子電池充電過(guò)程由三個(gè)截然不同的階段組成。在第一個(gè)充電或預(yù)充電階段，電池經(jīng)過(guò)一個(gè)短暫的時(shí)間段才能獲得預(yù)充電。第二階段以恒定電流為特點(diǎn)，該階段出現(xiàn)在經(jīng)過(guò)一個(gè)約為整個(gè)充電周期的 20% 到 30%相對(duì)較短時(shí)間段之后。該恒定電流充電階段能將電池充電至其全部電量的大約 70% 到 80%。最后充電階段以恒定電壓為特征。這是三個(gè)充電階段中最慢的一個(gè)階段，所需時(shí)間占完成整個(gè)充電過(guò)程時(shí)間的 70% 到 80%。恒定電壓充電階段完成電池電量存儲(chǔ)容量的最后 20% 到 30%。為鋰離子電池監(jiān)控充電過(guò)程的電源組件必須能夠管理所有這些階段，以最大化電池充電效果，并且確保最佳的電池使用壽命。

根據(jù)便攜式設(shè)備的要求，有幾種不同類(lèi)型的電池充電設(shè)備。在那些成本控制比效率更為重要的應(yīng)用中，線性充電器提供了一種卓越的解決方案。然而，盡管開(kāi)關(guān)充電器比線性充電器更加昂貴，但其功效至少能達(dá)到 90%。

除充電過(guò)程本身以外，電源子系統(tǒng)還必須處理其它一些與電池相關(guān)的問(wèn)題。例如，一些便攜式系統(tǒng)具有替代電源（例如：能夠被用于電池充電的 USB 端口等）。便攜式媒體播放器可能會(huì)以一種通過(guò)連接至壁式插座的一般方法來(lái)進(jìn)行充電，或者，作為另外一種選擇，這種設(shè)備也可以通過(guò)將其 USB 端口連接到另一個(gè)設(shè)備（例如：膝上型電腦）的 USB 端口來(lái)進(jìn)行充電。

電源通道管理是一項(xiàng)獨(dú)特的功能，其容許便攜式系統(tǒng)在為電池充電過(guò)程中正常工作。電源子系統(tǒng)必須具有足夠的復(fù)雜程度，以便在將電源用于運(yùn)行系統(tǒng)的同時(shí)對(duì)電池進(jìn)行充電。其它一些電池特征還可包括可能由短路引起的過(guò)壓或者過(guò)電流保護(hù)。如果這些異常因素被忽略，那么它們將會(huì)破壞系統(tǒng)或電池，也可能對(duì)系統(tǒng)和電池都造成破壞。同時(shí)，還要求對(duì)電池進(jìn)行身份認(rèn)證，以避免在便攜式系統(tǒng)中安裝不合規(guī)格或來(lái)自配件市場(chǎng)的低質(zhì)量電池。因此通過(guò)在封裝中安裝一個(gè)身份認(rèn)證芯片，就能夠使該系統(tǒng)保證用高質(zhì)量的電池組為系統(tǒng)的運(yùn)行提供電力。
另一個(gè)便攜式電源子系統(tǒng)的重要特性是監(jiān)控電池的充電電平，并將該信息傳達(dá)給用戶(hù)。這就使得用戶(hù)可以準(zhǔn)確地知道系統(tǒng)在沒(méi)有進(jìn)行再充電的情況下還能工作多長(zhǎng)時(shí)間。如果準(zhǔn)備在電池完全耗盡電量以前對(duì)其進(jìn)行充電，那么這樣的信息就至關(guān)重要。鋰離子電池的放電特性使此項(xiàng)任務(wù)變得更為復(fù)雜，并且使具有相當(dāng)復(fù)雜程度的電池監(jiān)控功能成為必要。

如圖 １所示，一個(gè)簡(jiǎn)單電壓監(jiān)控功能并不能精確地反映出電池組的剩余使用時(shí)間量。容易讓人產(chǎn)生誤解的是，對(duì)于大多數(shù)放電循環(huán)而言，電壓監(jiān)控會(huì)對(duì)在電池容量中間范圍進(jìn)行的鋰離子電池充電進(jìn)行電平評(píng)定。但是，一旦電壓下降至某一電平，電池上的剩余電荷便會(huì)在一個(gè)非常短的時(shí)間段內(nèi)急劇下降。更為復(fù)雜的監(jiān)控技術(shù)，例如：TI 的 Impedance Track? 技術(shù)，通過(guò)諸如電池的老化程度
、溫度、充電循環(huán)次數(shù)以及循環(huán)深度等許多方面來(lái)對(duì)電池進(jìn)行描述。通過(guò)該信息，阻抗跟蹤技術(shù)使用一種復(fù)雜的板上算法來(lái)計(jì)算出剩余電池容量，其誤差可在 1% 以?xún)?nèi)。

分割電源子系統(tǒng)

許多便攜式系統(tǒng)都是基于一般由數(shù)個(gè)不同部分或分區(qū)組成的架構(gòu)。并且，每一個(gè)分區(qū)均可以有其自己的一套電源要求。滿足這些便攜式系統(tǒng)中不同部分的個(gè)別需求常常要求專(zhuān)門(mén)的便攜式電源芯片。

由于其輸出功率的低電氣噪聲，線性穩(wěn)壓器芯片通常被安裝在便攜式系統(tǒng)的射頻 (RF) 分區(qū)中。許多線性穩(wěn)壓器均提供快速開(kāi)啟、調(diào)節(jié)和射頻運(yùn)行需要的低噪聲。由于不需要電感，因此它們的體積都非常小，只占用少量的板級(jí)空間。

為了實(shí)施不同的照明功能，例如：數(shù)碼相機(jī)的照相閃光、為便攜式攝像機(jī)提供持續(xù)的燈光照明或者液晶顯示器和鍵盤(pán)區(qū)的背光照明等，可能同樣會(huì)需要數(shù)種 DC/DC 升壓轉(zhuǎn)換器。一個(gè)有機(jī)液晶顯示器（有機(jī)發(fā)光二極管）的明亮色彩也可能會(huì)要求一個(gè)某種等級(jí)的電壓轉(zhuǎn)換。

處理器芯片（包括通用處理器和數(shù)字信號(hào)處理器 (DSP)）均有一套其自己的電源規(guī)范。大多數(shù)處理器都是高電流、低電壓器件，要求經(jīng)過(guò)嚴(yán)格調(diào)節(jié)的電源。為了將便攜式系統(tǒng)的 3.3V 電源降低至處理器的 1.2V 電平，電壓轉(zhuǎn)換是最常用到的一種方法。通常，這就要求一個(gè)可以提供大電流的高效 DC/DC 轉(zhuǎn)換器。

當(dāng)然，一些高度復(fù)雜的便攜式系統(tǒng)要求電源設(shè)備對(duì)所有或部分電源子系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控或管理。例如，電壓監(jiān)控器件可以監(jiān)控電源子系統(tǒng)，在一些響應(yīng)事件發(fā)生時(shí)開(kāi)啟或者關(guān)閉該子系統(tǒng)。一個(gè)電源管理單元 (PMU) 將許多可能由多個(gè)分立電源器件執(zhí)行的電源功能集成到一個(gè)芯片中。這種集成節(jié)省了成本、板級(jí)空間和設(shè)計(jì)時(shí)間。

向前發(fā)展的電源技術(shù)

便攜式電源技術(shù)的復(fù)雜性及寬泛范圍的多樣性反映出，不計(jì)其數(shù)的移動(dòng)電子系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)今生活的主要產(chǎn)品。這一“便攜式 (on-the-go)”電子產(chǎn)品的發(fā)展趨勢(shì)在任何時(shí)候都不會(huì)立刻減緩。再者，如果過(guò)去能預(yù)示未來(lái)的一切，那么便攜式電源產(chǎn)業(yè)將會(huì)不斷地迎接并且戰(zhàn)勝當(dāng)前新應(yīng)用和新技術(shù)中出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。

參考書(shū)目

[1] 《針對(duì)便攜式應(yīng)用與 HEV 的 NiMH 鋰離子聚合物電池的全球市場(chǎng)升級(jí)》，2007 年 3 月，Institute of Information Technology, Inc.

[2] 《Databeans》，2006 年 10 月，全球標(biāo)準(zhǔn)線性市場(chǎng)模擬電源芯片

[3] 《Databeans》，2006 年 10 月，全球標(biāo)準(zhǔn)線性市場(chǎng)模擬電源芯片