至精至微：面向便攜式應(yīng)用的電源管理趨勢
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便攜式設(shè)備中與日俱增的新功能，將對電源管理形成大量新的需求。與此同時，便攜式設(shè)備制造商正面臨越來越大的壓力，他們必須把這些功能集成進(jìn)不斷縮小的體積內(nèi)，同時又要讓它維持較長的工作時間。
例如，隨著3G的到來，手機(jī)不僅要瀏覽網(wǎng)頁、發(fā)送電子郵件、拍攝數(shù)碼照片，甚至要能播放視頻流，這些都給電源管理帶來巨大挑戰(zhàn)。同時，隨著處理器速度的加快，整個電源管理方案和各個子系統(tǒng)必須跟上這一變化，提供配套的電源支持。此外，新型電池技術(shù)、尤其是微型燃料電池技術(shù)的商用化即將開始，也迫使電源芯片廠商重新思考未來的電源系統(tǒng)設(shè)計。
與之相應(yīng)地，這些新的變化趨勢也為電源芯片廠商創(chuàng)造了巨大商機(jī)，促使他們絞盡腦汁開發(fā)更先進(jìn)的、各具特色和尺寸越來越小的電源管理解決方案，以支持日益復(fù)雜的系統(tǒng)電源要求和新功能。為了全面深入地了解當(dāng)今便攜式應(yīng)用領(lǐng)域的最新電源管理趨向，本文特邀領(lǐng)先半導(dǎo)體公司德州儀器(TI)、飛兆(Fairchild)、凌特(Linear)、安森美、國半(NS)、微芯科技(Microchip)和立锜科技分享他們的見解與智慧。
電源管理器件在封裝、效率和成本之間取平衡
在終端設(shè)備的小體積趨勢下，系統(tǒng)工程師所需的電源器件必須能延長電池壽命和縮小線路板面積。供應(yīng)商在設(shè)計這類器件時，就需要在效率、封裝尺寸和成本之間反復(fù)權(quán)衡。飛兆半導(dǎo)體的亞太區(qū)總裁郭裕亮表示：“小尺寸封裝的散熱能力不及大尺寸封裝產(chǎn)品，迫使我們提高器件的電源轉(zhuǎn)換效率。”
Microchip的模擬與接口產(chǎn)品部資深銷售經(jīng)理GeorgePaparrizos指出，系統(tǒng)設(shè)計的功耗取決于輸入/輸出電壓之間的差異和所要求的負(fù)載電流?！坝捎谛滦蛿?shù)字元件需要更大的電流，降低能耗的兩種主要方式只能為采用略高于輸入電壓的輸出電壓，或者采取智能的系統(tǒng)控制?！彼f，對電源的更高要求，刺激了能節(jié)省空間、并具有更高散熱性能的新型封裝技術(shù)的發(fā)展，也使無引腳封裝(DFN和QFN)大行其道。
便攜式應(yīng)用中電壓轉(zhuǎn)換的數(shù)量也在不斷增多，因此人們認(rèn)為有必要對電源轉(zhuǎn)換采用同樣的高密度封裝。TI便攜式電源管理全球業(yè)務(wù)市場經(jīng)理Patrick Heyer說：“改進(jìn)后的封裝技術(shù)將繼續(xù)致力于縮小占位面積、接近內(nèi)部硅片的尺寸、提供良好的導(dǎo)熱性、降低成本和符合標(biāo)準(zhǔn)客戶處理要求。多芯片封裝技術(shù)將允許提供更加全面的功能，同時將外部元件數(shù)量減到最少?！?nbsp;
他還指出，焊線(Bondwires)將繼續(xù)讓位于焊料突起或其它創(chuàng)新性技術(shù)，這些技術(shù)允許電源芯片能夠承受大電流、高發(fā)熱和高頻信號。創(chuàng)新性的電路設(shè)計，將為采用性能得到改進(jìn)的特點(diǎn)創(chuàng)造條件，這些特點(diǎn)包括軟開關(guān)、優(yōu)化的門驅(qū)動、更高的精度、較高的開關(guān)頻率和更好的控制算法。
當(dāng)今大多數(shù)便攜式設(shè)備中都存在多種充電電源，為了在空間狹小的電路板上實(shí)現(xiàn)最佳效率，針對電池的功率管理設(shè)計變得日益復(fù)雜。Linear公司電源業(yè)務(wù)部產(chǎn)品市場經(jīng)理TonyArmstrong說：“只需研究一下諸如數(shù)碼相機(jī)、MP3播放機(jī)、GPS接收機(jī)和PDA等產(chǎn)品即可一目了然。此類產(chǎn)品大多可由AC適配器、USB接口或鋰離子電池來供電。這些電源之間的功率通路控制是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)?！?nbsp;
他繼續(xù)說，工程師一直在嘗試采用分立組件來實(shí)現(xiàn)上述功能，但面臨很大困難，比如熱插拔以及會引發(fā)嚴(yán)重系統(tǒng)問題的浪涌電流等。目前大多數(shù)電池供電型便攜式產(chǎn)品都采用專用電源芯片，來實(shí)現(xiàn)電池充電、功率通路控制、提供多個電源電壓以及諸如真正的輸出斷接和精確的USB限流等保護(hù)功能。采取這種方法的原因很清楚，即只需單個器件便可滿足其全部的電源管理要求。不過這樣做也有缺陷，專用電源芯片的先天不足導(dǎo)致其很難針對所有上述功能來實(shí)現(xiàn)其性能的最大化，并使得從產(chǎn)品設(shè)計到投產(chǎn)的時間變得很長。
對于未來電源管理領(lǐng)域的發(fā)展趨勢，國半公司亞太區(qū)便攜式設(shè)備電源管理產(chǎn)品市場經(jīng)理羅振輝指出，未來電源管理系統(tǒng)不應(yīng)只著眼于開關(guān)穩(wěn)壓器的轉(zhuǎn)換效率，應(yīng)同時仔細(xì)考慮電源管理芯片是否有穩(wěn)定的批量供貨以及封裝是否小巧，而且即使封裝極為小巧，芯片的功耗、精確度及噪音水平也不應(yīng)受到絲毫的影響。
顯示屏、顯示器件成為節(jié)能設(shè)計重點(diǎn)攻關(guān)領(lǐng)域
最近的趨勢顯示，彩屏正迅速成為多數(shù)新款手機(jī)、PDA和數(shù)碼相機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)配置。彩屏、游戲、互聯(lián)網(wǎng)瀏覽和短信等特點(diǎn)所要求的顯示屏使用時間越來越長，如何有效支持這方面的需求成為各電源管理器件廠商的重點(diǎn)“照顧”對象。安森美半導(dǎo)體模擬便攜和消費(fèi)產(chǎn)品應(yīng)用部門總監(jiān)BernieWeir說：“2003年手機(jī)的換機(jī)數(shù)量首次超過了整個手機(jī)銷售總量的50%，這些第二代、第三代手機(jī)用戶有豐富的手機(jī)使用體驗(yàn)，希望手機(jī)成為帶LCD彩屏的多媒體語音通訊五金|工具。如何能有效支持手機(jī)彩屏顯示、上網(wǎng)瀏覽、游戲和發(fā)送短信等功能，以增長背光LED所使用的時間，是設(shè)計者優(yōu)先考慮的重點(diǎn)之一，對每一微瓦的電能都要精打細(xì)算?！?nbsp;
顯示屏的清晰度越來越高，畫面色彩更要比以前璀璨亮麗，這使顯示屏的功耗不斷增加，如何節(jié)能已成為便攜式設(shè)備設(shè)計工程師需要面對的一個重大問題。為節(jié)能所做的改善幾乎涉及顯示系統(tǒng)的每一個角落。NS公司亞太區(qū)顯示器產(chǎn)品市場業(yè)務(wù)經(jīng)理陳永信介紹了一種全新技術(shù)——移動像素鏈路(MPL)，它是基帶處理器與顯示屏/相機(jī)之間的一個接口，可將有關(guān)芯片連接一起，減少鉸接位的線路，從而減少這些線路上的能量損耗和隨之而來的電磁干擾。
此外，為顯示屏提供背光的發(fā)光體是系統(tǒng)之中耗電量最大的電路，其耗電量是顯示屏所獲供電的十倍以上。飛兆半導(dǎo)體的技術(shù)市務(wù)工程師Enrique Rodriguez說，“在LCD顯示器的各種背光方案中，LED方法由于減少了外部元件數(shù)如變換器等，因而可大幅減少功耗。此外，多種LED驅(qū)動方案都采用脈沖寬度調(diào)制(PWM)來降低LED的平均電流，從而減小了驅(qū)動電路所需的功率。”
目前，廠商們正在開發(fā)更先進(jìn)的LED電荷泵產(chǎn)品，以提高背光功率。“市場要求現(xiàn)在的LED電荷泵器件必須為主屏、次屏顯示器以及至少一個RGB顯示提供背光電源?！盠inear的Armstrong說。他注意到產(chǎn)品設(shè)計要求不斷擴(kuò)展的特點(diǎn)，“電流精度和亮度匹配問題是非常復(fù)雜的，雖然工程師對于10%的電流精度尚能接受，但他們絕對容忍不了匹配精度高于5%。”
另一個可以進(jìn)一步節(jié)省用電的地方是相機(jī)的預(yù)覽系統(tǒng)。
根據(jù)目前的設(shè)計，即使在預(yù)覽階段，所有影像數(shù)據(jù)都必須先傳送往控制器，然后才傳回顯示器。這樣來回傳送數(shù)據(jù)完全沒有必要，徒然浪費(fèi)能源，因?yàn)橛跋駭?shù)據(jù)在預(yù)覽后會全部被刪掉。NS全新推出的LCD驅(qū)動器可以支持較寬的視頻帶寬，而且內(nèi)置2D定標(biāo)器，使相機(jī)可以在執(zhí)行預(yù)覽功能時直接與顯示模塊建立聯(lián)系，以便傳送數(shù)據(jù)。這個設(shè)計確保相機(jī)在執(zhí)行預(yù)覽功能時，基帶處理器及鉸接位可以完全處于閑置狀態(tài)，有助于進(jìn)一步節(jié)省能量。
開關(guān)器件與消除電磁干擾的雙贏局面
在許多便攜應(yīng)用中，開關(guān)調(diào)節(jié)器正在取代線性調(diào)節(jié)器，以延長電池的工作時間，但噪聲和電磁干擾(EMI)問題也隨之而至。然而，許多便攜式設(shè)備都具有無線電電路和射頻接收器，它們對噪聲都十分敏感。因此作為噪音發(fā)生器的開關(guān)電源，勢必對這些敏感電路形成潛在的干擾。最常用的解決辦法有兩個：一為改善電路設(shè)計，二是加設(shè)屏蔽。傳統(tǒng)的解決辦法是使噪聲發(fā)生電路遠(yuǎn)離對噪聲敏感的電路。然而，在當(dāng)今的便攜式產(chǎn)品(例如智能手機(jī))中，由于系統(tǒng)內(nèi)部布局非常緊密，這種做法已不再可行；而加設(shè)屏蔽的方案則會因?yàn)槌杀竞统叽绶矫娴南拗?，變得不切?shí)際。
飛兆的Rodriguez說：“目前的趨勢是利用擴(kuò)頻技術(shù)來減少EMI信號的功率成分。在穩(wěn)壓器中使用不同的頻率可以降低功率成分，從而減少EMI量。”該公司的FAN5602便屬于這樣的產(chǎn)品，它是通用的開關(guān)電容DC/DC轉(zhuǎn)換器，能調(diào)整導(dǎo)通電阻值，以便控制從輸入轉(zhuǎn)換到飛速電容的電荷量。這種調(diào)制可以將器件的電流峰值減到最小，最終并降低EMI。國半的羅振輝認(rèn)為，開關(guān)電容穩(wěn)壓器的效率在不斷提高，其實(shí)際效率與磁力開關(guān)穩(wěn)壓器相差不大，這是解決電磁干擾的一個可行方案。
Linear的Armstrong也表示，一種切實(shí)可行的降噪技術(shù)是使DC/DC轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)時鐘產(chǎn)生高頻抖動。這種方法加上擴(kuò)頻操作，能夠利用一個偽隨機(jī)數(shù)(PRN)序列對開關(guān)頻率進(jìn)行調(diào)制，以消除窄帶諧波。據(jù)他介紹，該公司的LTC3251便是實(shí)現(xiàn)了片上擴(kuò)頻的一款芯片實(shí)例。LTC3251是一款500mA、高效、低噪聲、無電感器型降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器，其擴(kuò)頻振蕩器是專為生成一個在逐個周期之間具有隨機(jī)時間間隔(但固定于1MHz和1.6MHz之間)的時鐘脈沖而設(shè)計的。這樣做的好處是可以把開關(guān)噪聲散布于眾多的頻率之上。
電源控制與充電器功能的融合趨勢
在便攜式應(yīng)用領(lǐng)域，多種器件整合已是必然。正如臺灣電源管理芯片廠商立锜科技指出：“未來基于空間小以及高效率的需求，整合勢在必行。”多輸入、多功能器件正開始將充電、監(jiān)控及管理功能集于一身。電源控制器和電源管理芯片(傳統(tǒng)上是相互關(guān)聯(lián)但又相互獨(dú)立)正與許多集成芯片中的充電器功能相融合。國半的羅振輝表示：“我們早已洞悉這一市場發(fā)展趨勢，例如市場上的應(yīng)用處理器不但都預(yù)載了所需的軟件，而且也漸漸將更多其它硬件如人機(jī)接口、機(jī)器接口內(nèi)置于處理器中?！睋?jù)他介紹，該公司一直與應(yīng)用處理器廠商密切合作，致力為市場提供一個高度集成的解決方案，以滿足各種不同的負(fù)載要求。
飛兆的Rodriguez也指出，目前的設(shè)計社群有一個最新趨勢，是將這些功率管理單元引進(jìn)于應(yīng)用處理器中，以便將來進(jìn)一步進(jìn)行功率優(yōu)化。他說：“要實(shí)現(xiàn)這個目標(biāo)必須克服多項(xiàng)挑戰(zhàn)，包括制定積極的開發(fā)計劃，以及解決成本和功率增加帶來的熱特性問題?！?nbsp;
“我們目前提供全面集成的具有電池管理能力、多輸入、多功能的電源管理器件。”TI的Heyer說，“此外，尺寸較大的電源管理芯片能夠有效滿足關(guān)鍵的系統(tǒng)電源需求，市場商機(jī)和和設(shè)計數(shù)量都在增加。例如具有10個或更多電源通道的器件通常用于專用設(shè)計，如智能電話或數(shù)碼相機(jī)。但亞洲市場對于尺寸較小的1到3通道器件的需求量較大，如具有線性調(diào)節(jié)器的集成DC/DC開關(guān)調(diào)節(jié)器。我們認(rèn)為未來這種需求將繼續(xù)存在，因?yàn)檫@些器件避免了過度集成，適合于不同類型的應(yīng)用?！?nbsp;
便攜式產(chǎn)品需要更高級的電源管理和電池管理，以便將功耗降至最低，并尋找能計算剩余可用能量、或者系統(tǒng)何時可以再度投入運(yùn)行的方法，來優(yōu)化系統(tǒng)性能、延長運(yùn)行時間。為了獲得最佳的性價比，新型電池管理芯片器件在一個單芯片封裝中集成了所有的電池管理功能。Microchip的電池管理產(chǎn)品部副總裁JimVernon表示：“由于充電控制、電量監(jiān)測和安全等功能對于測量溫度、電壓和電流有共同的需求，單芯片方案消除了系統(tǒng)中的重復(fù)功能。這種單芯片解決方案可以提供更多的好處，因?yàn)槊糠N功能都是獨(dú)立的，可以在系統(tǒng)級實(shí)現(xiàn)電池管理，而不是在單個元件上實(shí)現(xiàn)?！?nbsp;
另外，還有一種趨勢是利用USB對便攜式設(shè)備的電池充電，便攜式設(shè)備中常用的鋰離子電池便采用了這種技術(shù)。飛兆的Rodriguez指出：“USB2.0規(guī)范規(guī)定了兩種完全不同的功率分類(高和低)，電壓標(biāo)稱值是5V，而浪涌電流容許值則為500mA。這種能在USB的數(shù)據(jù)功能外集成電池充電功能的能力，能夠在器件中延長電池壽命?！?nbsp;
Linear近期推出了一款LTC3455，可在滿足USB電源標(biāo)準(zhǔn)的情況下對AC適配器、USB電纜和鋰離子電池之間的功率流動進(jìn)行無縫管理。該器件集成了一個全功能鋰離子電池充電器和兩個高效同步降壓型轉(zhuǎn)換器，前者可提供高達(dá)800mA充電電流，后者用于生成大多數(shù)USB外設(shè)所需的低電壓軌。LTC3455還提供了用于微處理器的上電復(fù)位信號、用于向存儲卡供電的熱插拔輸出、以及適合用作低電池電量比較器或LDO控制器的備用增益部件。
手機(jī)閃光燈帶來新的需求
照相等功能在手機(jī)中的出現(xiàn)和不斷深入，對電源管理提出了更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@些新增功能基本上都屬于“能量饑渴型”應(yīng)用。例如，消費(fèi)者希望照相手機(jī)能拍攝更高分辨率的圖片，并能在室內(nèi)或昏暗環(huán)境光條件下進(jìn)行拍攝。這些需求迫使手機(jī)設(shè)計師開始考慮在手機(jī)中配置閃光功能，而白光led成為閃光燈的首選光源。
對手機(jī)設(shè)計工程師而言，白光LED擁有他們所需要的各種特性：小外形尺寸、高亮度輸出以及提供閃光和連續(xù)視頻照明的能力，LED供應(yīng)商已開發(fā)出專門用于手機(jī)閃光燈的高輸出功率LED。然而，這些高亮度的LED雖然很適合于照明用途，但它們也是電池的耗電大戶。
“雖然用高功率LED來形成可見光這種基本任務(wù)很簡單，但如果不對現(xiàn)有設(shè)計加以改進(jìn)，就難以構(gòu)建高性能的電源和電流控制方案?！盠inear的Armstrong表示。據(jù)他介紹，Linear的LTC3453是一款專為優(yōu)化效率、準(zhǔn)確度和LED電流控制而設(shè)計的產(chǎn)品實(shí)例，適合高電流照相機(jī)閃光燈應(yīng)用。該產(chǎn)品采用同步降壓-升壓型電源架構(gòu)和可編程低壓降電流源，用以調(diào)節(jié)LED電流。
該器件可根據(jù)VIN和LED正向電壓在同步降壓、同步升壓和四開關(guān)降壓-升壓模式之間自動變換。每個電流源都有其自己獨(dú)立的控制環(huán)路，并能在非常低的LEDx引腳電壓條件下調(diào)節(jié)電流，旨在最大限度地降低功耗。憑借同步降壓-升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，“手電筒”模式的效率可達(dá)90%以上，與標(biāo)準(zhǔn)的升壓解決方案相比提升幅度達(dá)20～30%。
飛兆公司則推出了高效LED閃光燈驅(qū)動器FMS2000和FMS2004。據(jù)稱，這些器件可對閃光亮度/持續(xù)時間、減小紅眼、電影模式、白平衡以及電池電壓補(bǔ)償?shù)裙δ苓M(jìn)行可編程控制。
除此以外，Microchip的安全、微控制器與技術(shù)部產(chǎn)品銷售經(jīng)理FanieDuvenhage還表示，微控制器也將在閃光燈解決方案中發(fā)揮重要作用。他說：“人們希望閃光燈能夠適應(yīng)不同的亮度水平、以不同的次序進(jìn)行閃光、并顯示不同的顏色。這不能通過單機(jī)功率轉(zhuǎn)換芯片實(shí)現(xiàn)，而是需要額外的可編程微控制器。但是，許多設(shè)計人員不想在微控制器以外再為一個功率轉(zhuǎn)換器件掏錢，所以功率轉(zhuǎn)換功能經(jīng)常被納入微控制器之中。”
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