現(xiàn)代筆記本電腦中的關(guān)鍵--綠色解決方案

電源系統(tǒng)設(shè)計師必需克服的一大障礙是設(shè)法降低高功率服務(wù)器的功耗水平，因為它們在這些模式中仍然將從交流電源插座或后備電池系統(tǒng)吸收電流。所以，人們?nèi)找鎻娏业匾蠊β兽D(zhuǎn)換IC在其被置于待機或停機模式中時提供較低的靜態(tài)電流。當今的便攜式筆記本電腦設(shè)計師也面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。對高性能電源管理系統(tǒng)的需求便是這些挑戰(zhàn)中的一個。

引言

大多數(shù)工業(yè)化國家普遍認識到了節(jié)能的必要性。其原因基于這樣的現(xiàn)實情況，即：隨著這些國家人口數(shù)量的增加，那些配備供暖/冷卻系統(tǒng)以及照明和電器的新型家居的能量需求也在日益攀升。建造新的發(fā)電廠肯定需要花費大量的資金，但這并不是全部，把生產(chǎn)出來的電力輸送給用戶也是一項耗資巨大的工作。人們已經(jīng)注意到，如果能夠把大多數(shù)電器目前的能耗削減15% ~ 20%，那么將比建設(shè)新的電廠更加經(jīng)濟劃算。

顯然，在全球范圍內(nèi)，高功率電氣系統(tǒng) （例如：服務(wù)器群） 的節(jié)能浪潮可謂方興未艾 —— 不管是在發(fā)電方面還是在能源消耗方面，成本節(jié)省所帶來的巨大好處都是令人信服的，任何人都無法忽視。然而，電源系統(tǒng)設(shè)計師必需克服的一大障礙是設(shè)法降低高功率服務(wù)器的功耗水平 （即使在其處于低功率或待機模式時也不例外），因為它們在這些模式中仍然將從交流電源插座或后備電池系統(tǒng) （當在供電中斷的條件下起動時） 吸收電流。所以，人們?nèi)找鎻娏业匾蠊β兽D(zhuǎn)換IC 在其被置于待機或停機模式中時提供較低的靜態(tài)電流。

與此同時，當今的便攜式筆記本電腦設(shè)計師也面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。對高性能電源管理系統(tǒng)的需求 （以適應(yīng)系統(tǒng)復(fù)雜性的日益增加以及功率預(yù)算的不斷攀升） 便是這些挑戰(zhàn)中的一個。這些系統(tǒng)努力地在諸多相互沖突的目標之間尋求著一個最佳的平衡，這些目標包括：長久的電池運行時間、與多種電源的兼容性、高功率密度、小外形尺寸和有效的熱管理。

雖然新型鋰電池技術(shù)有望增加能量密度，然而現(xiàn)狀是：安全問題的增多抵消了電池能量密度的提高，從而促使人們采用包括較低充電 （浮動） 電壓、熱調(diào)整和適宜溫度充電等在內(nèi)的諸多充電策略。新型電池化學組成將實現(xiàn)較長的運行時間，不過，它們的電壓放電范圍被擴大了，在電池電壓低于3V的條件下具有大量的可用能量。這種特性將對有關(guān)的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)產(chǎn)生影響，因而使得同步降壓-升壓型穩(wěn)壓器必需產(chǎn)生低至3V的輸出。

為什么綠色解決方案是必不可少的？

許多高功率服務(wù)器采用單級轉(zhuǎn)換或兩級轉(zhuǎn)換方法的某種組合來處理相關(guān)聯(lián)的熱問題。散熱是一個問題，原因有二。首先，必須使用空調(diào)來保持工作環(huán)境的涼爽，而這需要采用AC電網(wǎng)電源。其次，可能需要在服務(wù)器底盤之內(nèi)布設(shè)更多的風扇 （旨在維持足夠的氣流），以在利用率最高的時間里使關(guān)鍵的LSI數(shù)字元件保持冷卻狀態(tài)。這也需要從電網(wǎng)獲取更多的功率。然而，系統(tǒng)設(shè)計師面臨的一個難題是利用哪種方法來盡量滿足其特定的系統(tǒng)要求。究竟是采用單級轉(zhuǎn)換 （比如：從48V轉(zhuǎn)換至1.xV） 還是雙級轉(zhuǎn)換 （例如：從48V轉(zhuǎn)換至一個12V中間總線架構(gòu)IBA，然后運用負載點POL轉(zhuǎn)換器來完成從12V至1.xV的轉(zhuǎn)換）？這個問題很難回答，因為它取決于諸多因素，其中的一些因素已在上文中做過討論。此外，這些因素還將因系統(tǒng)的類型、其配置、所用的設(shè)計方法以及眾多其他變量而有所不同。

然而，人們希望在電壓不斷下降的情況下增加電流，這種日漸增長的需求將繼續(xù)推動堵多此類高功率系統(tǒng)的發(fā)展。該領(lǐng)域的許多成果都可歸功于功率轉(zhuǎn)換技術(shù)的進步，特別是電源 IC和功率半導(dǎo)體器件的改善。一般說來，這些元件通過允許在幾乎不影響功率轉(zhuǎn)換效率的前提下提高開關(guān)頻率來促進電源性能的提升。通過降低開關(guān)損耗和通態(tài)損耗、并提供有效的散熱，便可做到這一點。不過，由于輸出電壓呈逐漸下降之勢，因而給這些因素施加了更大的壓力，這反過來又產(chǎn)生了重大的設(shè)計難題。

分立式電源設(shè)計和傳統(tǒng)型電源模塊均是和分立元件一起制作在印刷電路板上，由于需要權(quán)衡外形尺寸因素，因而導(dǎo)致電性能和熱性能都受到了限制。然而，關(guān)鍵是要提供一種使電性能和熱性能均有所增強的全集成電路解決方案，并提供一種便于設(shè)計新手使用的緊湊型解決方案。一種理想的解決方案是采用一個POL DC/DC模塊。在許多場合中，一個高性能 POL 模塊能夠解決緊湊占板面積問題，而不會犧牲熱性能或電性能。

高功率POL穩(wěn)壓器是空間受限型電源設(shè)計的一個很好的例子。此類電源在位置上往往非?？拷粔K大型系統(tǒng)板上的微處理器、FPGA或ASIC，并為這些器件提供所需的全部功率。大型數(shù)字設(shè)備往往需要幾安培至100安培以上的電流。一塊大型系統(tǒng)板常常需要很多個這樣的POL電源，因此，如何為這些電源設(shè)計逐一分配所需的足夠空間便成了難題。另外，系統(tǒng)板的背面常常對高度有所限制，因此一般不適合用于電源設(shè)計。分立式功率轉(zhuǎn)換器通常會利用系統(tǒng)板的兩個面 （以實現(xiàn)緊湊型設(shè)計），而傳統(tǒng)的電源模塊設(shè)計則由于其高度過大的原因而只能利用系統(tǒng)板的頂面。設(shè)計師一般會有策略地把傳統(tǒng)型電源模塊布設(shè)在系統(tǒng)板上，旨在避免阻斷其他集成電路所需的冷卻氣流。但這經(jīng)常會導(dǎo)致性能劣化，因為電源穩(wěn)壓器與其負載的相對位置并非最佳。

用戶對較高功率解決方案的需求還與高級筆記本電腦密切相關(guān) （原因是其計算能力有所提升）。同時，電源軌的數(shù)目也在持續(xù)地增多。這種趨勢愈發(fā)地要求人們使用多輸出開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案，以滿足外形尺寸和效率目標，并把熱耗散置于受控狀態(tài)之下。此外，為了管理電池的運行時間，具有高效率 （在很寬的負載電流范圍內(nèi)） 和低待機 （靜態(tài)） 電流的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器也是不可或缺的。

另外，在大多數(shù)筆記本電腦 （它們常常采用單節(jié)鋰離子電池來供電） 中，需要若干個不同電壓軌的情況是非常普遍的。這些包括多個微處理器電壓軌和眾多的特殊功能電壓軌。因此，人們對于借助電池來提供所需功率的需求大幅度增長。然而，電池的外形仍然較小，而且功率密度也僅實現(xiàn)了適度的增加。因此，電池運行時間和上佳的熱管理能力業(yè)已成為產(chǎn)品的重要賣點，不僅在蜂窩電話中如此，在幾乎所有的便攜手持式設(shè)備中也是這樣。市場對于非常緊湊和高效率多輸出同步降壓型轉(zhuǎn)換器的需求隨之而生。

由于一個給定外殼內(nèi)的可用空間和冷卻條件受到諸多的限制，而且必需進行正確的電源跟蹤以改善系統(tǒng)可靠性，因此使得高功率服務(wù)器用 POL DC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計師們面臨著許多挑戰(zhàn)。