提升能效,讓整個(gè)世界微笑

　　飛兆半導(dǎo)體中國(guó)區(qū)銷(xiāo)售總監(jiān)王劍介紹，功率管理IC用于多種消費(fèi)產(chǎn)品和計(jì)算應(yīng)用的各種功率轉(zhuǎn)換和分配電路中，包括手機(jī)、汽車(chē)電子和工業(yè)等應(yīng)用。近期，人們將功率管理IC嵌入在超便攜設(shè)備、手機(jī)和膝上型電腦的智能功率管理IC中，這項(xiàng)集成是通過(guò)改進(jìn)制造工藝和設(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。功率管理IC的另一項(xiàng)功能是照明管理。最近推出的高效率白光LED為消費(fèi)產(chǎn)品、計(jì)算產(chǎn)品和手機(jī)提供了新型照明單元，可以實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單的功率管理到調(diào)光、智能驅(qū)動(dòng)、接口和保護(hù)功能的多種功能(如OTP、OVP、OCP、反向電池電流保護(hù)等)。

　　談及挑戰(zhàn)，國(guó)際整流器公司亞太區(qū)銷(xiāo)售副總裁潘大偉看到，受氣候變化、能源安全與成本、全球經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人口增長(zhǎng)等問(wèn)題的影響，大眾關(guān)心的焦點(diǎn)轉(zhuǎn)移到了能效上。尤其是在家用電器市場(chǎng)內(nèi)，新法規(guī)、標(biāo)簽計(jì)劃和對(duì)更高性能的需求促使制造商利用永磁變速驅(qū)動(dòng)器取代采用AC感應(yīng)或者有刷DC電機(jī)的機(jī)電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。然而，電子控制單元的設(shè)計(jì)很復(fù)雜，并且涉及3個(gè)方面 - 數(shù)字、模擬和功率級(jí)。同時(shí)，設(shè)計(jì)者必須以較低的成本為大批量電器市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)高性能。　　

           

　　注重系統(tǒng)級(jí)的電源設(shè)計(jì)

　　從市場(chǎng)角度來(lái)看，消費(fèi)者期望更高的系統(tǒng)效率。這意味著對(duì)整機(jī)輕載和待機(jī)功耗的關(guān)注度越來(lái)越高，也更加注重系統(tǒng)級(jí)電源管理。Maxim戰(zhàn)略市場(chǎng)應(yīng)用經(jīng)理Jon Day表示，在現(xiàn)有半導(dǎo)體技術(shù)基礎(chǔ)上，芯片本身的效率仍在增長(zhǎng)，但增幅較緩。而對(duì)效率的大幅提升需要依靠電源子系統(tǒng)的遠(yuǎn)端控制。使得用戶(hù)可以針對(duì)整體的系統(tǒng)負(fù)載進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)計(jì)出尺寸越來(lái)越小、效率越來(lái)越高的電源。

　　ADI公司電源管理部門(mén)市場(chǎng)工程師張潔萍補(bǔ)充了另外一些變化，電源管理技術(shù)供應(yīng)商已不僅僅局限在電源技術(shù)本身，同時(shí)更多地關(guān)注系統(tǒng)信號(hào)鏈的把握和系統(tǒng)的應(yīng)用。在系統(tǒng)的角度，通過(guò)器件帶有的特性提升整體工作效率。比如,電源器件通過(guò)檢測(cè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，如動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)輸出電壓來(lái)達(dá)到效率優(yōu)化的目的。另外，隨著系統(tǒng)容量的不斷擴(kuò)充及空間的考量，電源的通道數(shù)有所增加，電源器件通過(guò)檢測(cè)輸出功率，調(diào)節(jié)輸出通道的開(kāi)通與關(guān)斷來(lái)達(dá)到提升系統(tǒng)效率的目的。從工藝角度來(lái)看，功率器件工藝的改進(jìn)是提高效率的關(guān)鍵。

　　電源產(chǎn)品制造商面臨的兩大挑戰(zhàn)也許是：在產(chǎn)品壽命期內(nèi)降低系統(tǒng)的總體擁有成本;就功耗而言使系統(tǒng)更經(jīng)濟(jì)，即提高工作效率以使系統(tǒng)更“綠色”。 凌力爾特電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)Tony Armstrong介紹，盡管電源管理對(duì)新式電子系統(tǒng)的可靠工作至關(guān)重要，但是在今天的系統(tǒng)中，穩(wěn)壓器也許是仍然存在的最后“盲點(diǎn)”之一，人們沒(méi)有辦法直接配置或監(jiān)視關(guān)鍵電源系統(tǒng)工作參數(shù)。因此，電源設(shè)計(jì)師一直被迫使用一大堆混在在一起的排序器、微控制器和電壓監(jiān)察器，以設(shè)定基本穩(wěn)壓器的啟動(dòng)和安全功能。數(shù)字可編程 DC/DC 轉(zhuǎn)換器已經(jīng)上市很多年了，特別是具備 VID 輸出電壓控制的 VRM 內(nèi)核電源。不過(guò)，直接從穩(wěn)壓器監(jiān)視工作狀態(tài)信息的能力一直缺失，尤其是直接監(jiān)視實(shí)時(shí)電流的能力。

　　使用標(biāo)準(zhǔn)串行數(shù)字總線(xiàn) (例如 I2C) 可與數(shù)字 DC/DC 轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單和高效率的通信，PMBus 等新出現(xiàn)的標(biāo)準(zhǔn)方便了組件互操作性的實(shí)現(xiàn)。重要的穩(wěn)壓器參數(shù) (包括啟動(dòng)特性和定時(shí)、輸出電壓和電流限制、裕度調(diào)節(jié)規(guī)格、以及過(guò)壓和欠壓監(jiān)控限制) 都能以數(shù)字方式直接設(shè)定，而不用電阻器和耗費(fèi)空間的排序及監(jiān)視產(chǎn)品來(lái)設(shè)定。此外，諸如溫度以及輸入和輸出電壓及電流等關(guān)鍵工作參數(shù)可以得到常規(guī)監(jiān)視，并用來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)性能和可靠性。

　　Tony Armstrong特別強(qiáng)調(diào)，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師需要克服的一個(gè)重大障礙是，器件處于低功率或備用模式時(shí)的功耗，因?yàn)檫@時(shí)仍然從電池或電源插座吸取電流。因此，自上世紀(jì) 90 年代早期開(kāi)始，凌力爾特一直生產(chǎn)同時(shí)具備高效率轉(zhuǎn)換和低靜態(tài)電流的電源管理 IC。通過(guò)采用新的設(shè)計(jì)方法，以在電源管理和轉(zhuǎn)換 IC 中，在負(fù)載電流很大時(shí)實(shí)現(xiàn)高效率轉(zhuǎn)換，我們可以應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。同時(shí)，當(dāng)這些 IC 置于備用或停機(jī)模式時(shí)，很多新的電源轉(zhuǎn)換產(chǎn)品也具備了較低的靜態(tài)電流，以便設(shè)計(jì)師能非常容易地發(fā)現(xiàn)合適的產(chǎn)品，以使其最終系統(tǒng)能更加環(huán)保。

　　便攜電源設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

　　便攜產(chǎn)品本來(lái)就是對(duì)電源管理非?？量痰男袠I(yè)，隨著便攜設(shè)備越來(lái)越普及，對(duì)便攜設(shè)備的電源設(shè)計(jì)能效要求也越來(lái)越強(qiáng)烈，并成為電源設(shè)計(jì)的主戰(zhàn)場(chǎng)。

　　便攜式產(chǎn)品集成的功能越來(lái)越多，集功能娛樂(lè)于一體。對(duì)于便攜電源產(chǎn)品，由于空間的限制，要求芯片級(jí)產(chǎn)品具有更小的體積，更高的集成度，更少的外圍器件。這就意味著電源管理IC要應(yīng)對(duì)電池使用時(shí)間、高集成性、可靠性、外形因子以及成本等方面的挑戰(zhàn)。而目前，張潔萍認(rèn)為便攜式移動(dòng)設(shè)備的電源管理系統(tǒng)還是存在一些技術(shù)上的難題，主要體現(xiàn)在：

　　1. 電源管理系統(tǒng)中最根本的問(wèn)題：如何提高電源效率。

　　2. 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)。

　　3. RF和音頻線(xiàn)路則要求電源管理系統(tǒng)具有更低的噪音和更高的隔離。

　　就便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)而言，除了上面所列的存在很多系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必須克服的關(guān)鍵問(wèn)題。Tony Armstrong認(rèn)為還有一個(gè)最重要的問(wèn)題是怎樣讓熱量從設(shè)備中散發(fā)出來(lái)，因?yàn)檫@類(lèi)設(shè)備沒(méi)有風(fēng)扇用來(lái)實(shí)現(xiàn)冷卻。因此，這類(lèi)產(chǎn)品內(nèi)部使用的電源轉(zhuǎn)換 IC 必須是熱效率非常高的，因?yàn)殡娫崔D(zhuǎn)換效率欠佳會(huì)產(chǎn)生熱量。這種熱量是在能量傳遞過(guò)程中于穩(wěn)壓器中損失的功率產(chǎn)生的。此外，在很多便攜式設(shè)備內(nèi)部，用于實(shí)現(xiàn)冷卻的空氣流動(dòng)有限，散熱器也受到限制，因?yàn)檫@類(lèi)產(chǎn)品本身的尺寸和可用空間有限。這導(dǎo)致在小型、緊湊的外形中，裝入的是密集排列的印刷電路板。因此，將熱量排出產(chǎn)品的途徑有限。這種熱量就等于工作環(huán)境溫度的上升，這又可能對(duì)產(chǎn)品的可靠性產(chǎn)生不利影響。