守望綠色(1)

 凌力爾特公司電源產品部產品市場經理Tony Armstrong
　
　　在很多大功率系統(tǒng)中，空間和冷卻系統(tǒng)的成本都很高。因此，就任何負載點（POL）轉換器而言，做到緊湊、高效率并具有低靜態(tài)電流以滿足新的“綠色”標準都是極為重要。另外，很多微處理器和數字信號處理器（DSP）都需要一個內核電源和一個輸入/輸出（I/O）電源，這些電源在啟動時必須排序。設計師們必須考慮在加電和斷電操作時內核和 I/O 電壓源的相對電壓和時序，以符合制造商的性能規(guī)格要求。沒有恰當的電源排序，就可能出現閉鎖或過大的電流消耗，這有可能導致微處理器 I/O 端口損壞，或存儲器、可編程邏輯器件（PLD）、現場可編程門陣列（FPGA）、數據轉換器等支持性器件的 I/O 端口損壞。

　　在高性能、大功率電源設計不斷需要更多功率的同時，它們在可用電路板空間上卻越來越受到限制。此外，功率密度給電源設計師帶來了極大的挑戰(zhàn)，不管設計師經驗是否豐富都一樣。一般情況下，要求這些電源設計具有高于 90% 的轉換效率，以限制電源的功耗和溫度。因此，電源設計的熱性能尤其重要，因為只有很小的空間用來散出 DC/DC 電源轉換損耗產生的熱量，空氣流動也有限。另外，這些電源必須有卓越的輸出紋波和瞬態(tài)響應特性，同時還要限制所需外部電容量，以減小電源設計的總體尺寸。

　　在美國，僅“服務器市場”消耗的電能就足夠讓 5 個巨型發(fā)電廠日夜不停地運轉。此外，IDC 最近發(fā)布的一份研究報告估計了全球由于計算而使用的電能，從這份報告可以推斷出，2005年，美國服務器市場消耗的電能是美國所發(fā)總電能的 1.2%，供電公司因這些電能消耗而進賬 27 億美元。從這些數據很容易理解，僅在美國，在這樣的電量消耗水平上，每年節(jié)省 1% 的電能就可能節(jié)省 2700 萬美元。

　　這個熱門問題已經成為全球關注的焦點。自上世紀 90 年代中期以來，凌力爾特公司推出了很多同時具有高效率轉換和低靜態(tài)電流的電源管理集成電路。凌力爾特公司的很多電源管理集成電路采用了已獲專利的突發(fā)模式（Burst Mode®）技術。這種技術最大限度地降低了集成電路在備用模式時自身所需的電流。在很多情況下，這種備用靜態(tài)電流低至 10uA 至 20uA。LTC3548、LTC3410、LTC3801 和 LTC3827 都是這類具低靜態(tài)電流的產品。

　　凌力爾特公司面向“綠色”電源系統(tǒng)的產品具有很多獨特的性能優(yōu)勢。例如，我們已經推出了適用于總線轉換器應用的集成電路，如用于實現同步正向轉換器的多相（PolyPhase®）副端控制器 LTC3706。當與凌力爾特公司的柵極驅動器和主端控制器 LTC3705 一起使用時，兩個器件組合形成了一個完整的隔離式電源，這個隔離式電源兼有多相工作的優(yōu)勢和副端控制的速度。LTC3706 簡化了高效率、副端正向轉換器的設計。LTC3705 和 LTC3706 形成了一個堅固和自啟動的轉換器，無需副端控制應用中常用的獨立偏置穩(wěn)壓器。此外，一個專有電路通過單個纖巧型脈沖變壓器對柵極驅動信號以及隔離勢壘兩端的直流偏置電源進行多路轉換。
此外，系統(tǒng)設計師要克服的一個巨大障礙是器件在低功率或備用模式時的功耗，因為這時仍然從電池吸取電流。相應地，自上世紀 90 年代中期以來，凌力爾特公司已經制造出很多同時具有高效率轉換和低靜態(tài)電流的電源管理集成電路。凌力爾特公司的電源管理集成電路采用了已獲專利的突發(fā)模式（Burst Mode）技術。這種技術最大限度地降低了集成電路在備用模式時自身需要的電流。在很多情況下，這種備用靜態(tài)電流低至 16uA。LTC3548、LTC3410 和 LTC3801 都是這種低靜態(tài)電流產品。

　　凌力爾特公司為便攜式電源管理應用提供的產品有很多優(yōu)勢，其中包括：高開關頻率（高達 8MHz）、在輕負載和滿負載時高效率轉換（高達 96%）、在備用模式時有非常低的靜態(tài)電流（低至 9uA）、高集成度（如集成 MOSFET 和肖特基二極管）。體現這些優(yōu)勢的一個例子是凌力爾特公司最近推出的多輸出同步降壓型穩(wěn)壓器系列，這個系列的器件可組成非常緊湊的高效率解決方案。我們來看一個采用單節(jié)鋰離子電池（VBATT 啟動時為 4.2V，然后降至 2.7V）的應用，該應用的 DSP 內核以及 I/O 和存儲器電源需要 1.2V、1.5V、1.8V 和 0.8V 軌。采用 3mm x 3mm QFN 封裝的單片 LTC3544 可以滿足所有這些電壓需求，該器件采用一個輸入電容器，其解決方案的占板面積不到由 4 個單輸出同步降壓型穩(wěn)壓器組成的解決方案的 1/3。

　　另外，大多數由電池供電的手持式產品采用專用集成電路（ASIC 或 PMIC）來滿足電池充電、電源通路控制、提供多個電源電壓以及真正輸出斷接和準確 USB 限流等保護功能，這是事實。采用這種方法的理由很明顯，可以用單個器件滿足所有電源管理需求。

　　不過，這種方法也有一些缺點。首先，ASIC 是用特殊芯片制造工藝制造，很難最大限度地提高上述每項功能的性能。其次，從訂貨到交貨的時間很長，這與 ASIC 的定義和開發(fā)有關，但這一點在要求短的動態(tài)設計周期的當今時代變得更加重要了。就電源管理 ASIC 而言，常見的是，從概念到交付需要花兩年或更長時間。在當今時代，特定產品的設計需求在這么長時間內可能已經變化 3 次或更多次了。

　　凌力爾特公司已經采取了不同的方法，開發(fā)出了新的集成電路產品線，這些集成電路“集成了重要功能”，在由電池供電的便攜式產品中克服了所有難題。大多數由電池供電的手持式產品通常由交流適配器、通用串行總線（USB）電纜或鋰離子/聚合物電池供電，管理這些電源之間的電源通路是一個巨大的技術挑戰(zhàn)。直到最近，設計師們一直試圖用大量 MOSFET、運算放大器和此類器件以分立方式實現這一功能，但是面臨著熱插拔、大浪涌電流等大量問題，這些問題會引起嚴重的系統(tǒng)問題。

　　大多數由電池供電的手持式產品的特性和功能存在共同之處，在這類應用中可以使用集成了重要功能的 PMIC，而不會導致通常與用單一芯片制造工藝制造集成電路有關的性能折衷。凌力爾特公司最近面向這一領域推出了下一代產品 LTC3555，性能和功能進一步得到提高。

　　根據大多數市場調查公司的數據，2007年電源管理半導體芯片的全球市場收入將達到 270 億美元。其中，亞太（包括中國）市場的收入將達到約 100 億美元。這使得中國成為重要地區(qū)，這不僅體現在生產上，而且體現在中國作為最終市場的重要性不斷提升上。另外，美國半導體行業(yè)協(xié)會（SIA）預測，在 2007年，全球模擬半導體芯片市場規(guī)模將達到約 430 億美元，其中高性能器件將占相當大部分。這些數字背后的市場驅動力量主要是蜂窩電話、智能電話、媒體播放器、數碼相機、數字媒體廣播（DMB）系統(tǒng)和個人導航設備（PND）等由電池供電的手持式產品，它們需要較長的電池工作時間和多種電源電壓。