電源管理趨勢探討

    隨著半導(dǎo)體終端產(chǎn)品朝向輕薄短小、數(shù)字化和整合多功能三大趨勢發(fā)展，模擬領(lǐng)域的電源管理IC的地位可說是越來越重要，成績亦顯得非常亮眼，在市場一片繁榮之下，電源管理的設(shè)計趨勢也值得關(guān)注，對此，業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的電源管理芯片供應(yīng)商從不同層面闡述了各自的一些技術(shù)觀點(diǎn)以及相應(yīng)的解決方案。

    白光LED驅(qū)動成為設(shè)計重點(diǎn)

    便攜式產(chǎn)品為LCD顯示器提供背光的光源是系統(tǒng)之中耗電量最大的部分，其耗電量是顯示器所獲電量的十倍以上。背光源功率越大，便攜式設(shè)備的LCD能夠發(fā)出的光越強(qiáng)，由于功率限制日趨苛刻，所以并不能一味地追求高亮度輸出，因此功耗較低的白光LED仍然是最受青睞的選擇。

    目前，眾多廠商正在開發(fā)結(jié)構(gòu)更加緊湊、背光效率更高的白光LED驅(qū)動電路。美國國家半導(dǎo)體公司便攜式系統(tǒng)電源管理產(chǎn)品部副總裁Peter Henry指出，由于移動電話繼續(xù)朝著多功能智能化的方向發(fā)展，因此預(yù)計發(fā)光二極管驅(qū)動器的需求量會持續(xù)增加。例如，目前普通的移動電話一般只采用2至4顆發(fā)光二極管驅(qū)動器。但功能更加豐富的雙屏照相手機(jī)需要7到9顆發(fā)光二極管驅(qū)動器，才可滿足燈光方面的要求。

    NS新近推出的LP3936燈管理單元共有三組可以各自獨(dú)立控制的驅(qū)動器。一組是主驅(qū)動器，負(fù)責(zé)驅(qū)動4個發(fā)光二極管，主要為尺寸不超過2.5英寸的顯示器提供背光；而另一組則是輔助驅(qū)動器，負(fù)責(zé)驅(qū)動2個發(fā)光二極管，主要為副顯示器或小鍵盤提供背光；另外還有一組負(fù)責(zé)提供裝飾燈或閃光燈的發(fā)光二極管驅(qū)動器。

    此外，新一代的OLED顯示器在便攜式設(shè)備中的應(yīng)用也開始逐步升溫，電源IC供應(yīng)商正在努力擴(kuò)展這方面的白光LED驅(qū)動器。Sipex公司電源管理產(chǎn)品技術(shù)市場部經(jīng)理李子俊稱，2.2英寸全彩PMOLED已經(jīng)量產(chǎn)，在彩屏需求量大增的手機(jī)市場中逐漸展露頭角。因為PMOLED的入門門檻較AMOLED低，在今天的市場中崛起也較快，Sipex己推出SP6690/91系列數(shù)款驅(qū)動芯片供客戶選擇。

    一般來說，PMOLED根據(jù)屏幕尺寸大小，所需要的驅(qū)動電壓亦有所不同。例如1英寸全彩PMOLED所需的電壓約在＋11V左右，在手機(jī)應(yīng)用上，由于鋰電池標(biāo)準(zhǔn)電壓在＋2.7V至＋4.2V之間，這時就需要一顆升壓IC作電壓轉(zhuǎn)換來驅(qū)動此類OLED。

    至于AMOLED的技術(shù)門檻較高，因此要設(shè)計符合特性，又能使面板圖像均勻呈現(xiàn)的驅(qū)動IC相當(dāng)不容易，加上面對良品率穩(wěn)定且價格持續(xù)下滑的主流TFT LCD面板的競爭，未來的市場前景還不算明朗。

    LCD TV帶來新的需求

    隨著LCD面板成本的進(jìn)一步下降及其性能的進(jìn)一步提高，LCD的另一個新興應(yīng)用——LCD TV也進(jìn)入家庭，市場的需求正在穩(wěn)步攀升。LCD TV制造商正越來越多地依靠電源管理領(lǐng)域的創(chuàng)新，以此作為在市場中獨(dú)樹一幟的關(guān)鍵因素。

    TI公司系統(tǒng)電源管理業(yè)務(wù)應(yīng)用工程師Steve Mappus表示，LCDTV對電源管理的依賴程度很高，需要諸如AC功率因數(shù)校正、隔離式電源轉(zhuǎn)換、非隔離式負(fù)載點(diǎn)電源轉(zhuǎn)換以及各種層次的電源監(jiān)控、排序和監(jiān)控保護(hù)等電路。對于當(dāng)前的LCD TV設(shè)計而言，需要使用傳統(tǒng)的模擬電源控制IC，以及帶有一個或更多執(zhí)行監(jiān)控功能的微控制器。

    TI在該領(lǐng)域的電源產(chǎn)品布局完善，300W至400W的電源系統(tǒng)（大多數(shù)40英寸的LCD TV均屬于此類系統(tǒng)）使用開關(guān)式功率因數(shù)校正控制器（如UCC28050/1）來提高AC線路電壓，使之經(jīng)調(diào)節(jié)后達(dá)到極高的電壓DC輸出。如果隨后再加上有源鉗位PWM控制器（如UCC2894），那么LCD TV電源系統(tǒng)的總體效率就能得到優(yōu)化，因為一系列定義明確的功能針對功率因數(shù)校正級實現(xiàn)了零電流開關(guān)，并針對隔離式DC/DC級實現(xiàn)了零電壓開關(guān)。對于低電壓的非絕緣負(fù)載點(diǎn)轉(zhuǎn)換而言，TI推出了各種帶有集成MOSFET的DC/DC轉(zhuǎn)換器，如TI的SWIFT DC/DC系列或TPS6xxx系列低壓轉(zhuǎn)換器。

    專門針對數(shù)控電源系統(tǒng)的開發(fā)，TI近期推出了UCD7K、UCD8K以及UCD9K系列Fusion Digital Power數(shù)字電源產(chǎn)品，功能相當(dāng)于幾塊高速模擬控制IC之和，微控制器與LCD背光顯示器驅(qū)動信號統(tǒng)一進(jìn)入同一個基于DSP的控制器。隨著LCD TV對電源管理的要求變得日益復(fù)雜，數(shù)字電源解決方案今后將更具吸引力。不過，Steve Mappus也指出，數(shù)字電源在液晶電視中的普及速度將取決于LCD TV制造商與電源管理半導(dǎo)體制造商之間合作的密切程度。就數(shù)字電源本身來說，由于單一的尺度并不能適合所有類型的設(shè)備，因此數(shù)字電源的推廣將取決于各方能否完全了解彼此的具體需求。

    趨向高度集成化

    電源管理技術(shù)的發(fā)展趨勢是在更小的硅芯片上集成更多功能特性，同時以更高的設(shè)計靈活性實現(xiàn)更強(qiáng)的系統(tǒng)用電性能，而不會增加成本。NS中國區(qū)總經(jīng)理李乾強(qiáng)調(diào)：板級空間非常有限的便攜式應(yīng)用更是如此，多個單一功能的電源管理器件組合的方法會漸漸不可行，取而代之的可能是類似PMU（電源管理單元）的芯片。

    舉例來說，NS的多功能電源管理單元LP3970內(nèi)置了11個低壓降低噪音的線性穩(wěn)壓器，其中8顆負(fù)責(zé)驅(qū)動數(shù)字負(fù)載，而另外3顆負(fù)責(zé)驅(qū)動模擬負(fù)載，LP3970還有2個電感式DC/DC降壓穩(wěn)壓器、1個后備電池充電器及4個通用輸出，可為應(yīng)用處理器提供穩(wěn)壓供電。通過I 2 C接口，應(yīng)用處理器可以對LP3970進(jìn)行數(shù)字控制，根據(jù)負(fù)載情況動態(tài)調(diào)節(jié)電源電壓來節(jié)省功耗。

    Maxim公司推出了MAX8621Y/MAX8621Z電源管理IC，器件內(nèi)部集成了2個降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器、4個LDO、1個復(fù)位定時器和1個驅(qū)動器，占位面積只有16mm 2 。如果采用7個分立SOT23封裝元件實現(xiàn)同樣的功能，則需占用75mm 2 的電路板面積。

    降低能耗勢在必行

    為滿足節(jié)能以及環(huán)保的需求，針對不同應(yīng)用與不同的功耗范圍，全球許多政府及能源機(jī)構(gòu)的各種新的能耗標(biāo)準(zhǔn)也紛紛出臺。與此同時，更加嚴(yán)格的規(guī)范也在制定之中。降低能耗成為一項無法回避的重要議題，同時對電源管理也提出了更高的要求。

    令人鼓舞的是已經(jīng)有許多新產(chǎn)品可以在降低能耗方面發(fā)揮作用。飛兆半導(dǎo)體公司高功率產(chǎn)品部副總裁Taehoon Kim介紹說，家電能源消耗通常約占總體能源消耗的20%，而電機(jī)是家電能耗的主要來源。低功率家電市場中，高壓無刷直流電機(jī)（BLDC）正取代單相交流感應(yīng)電機(jī)，不僅效率從低于50%提升到90%，而且也減小了人耳可聽見的噪聲和振動。

    通常功率小于100W的白色家電電機(jī)需要使用分立的MOSFET晶體管和半橋集成電路，以及濾除噪聲元件，占位面積大且可靠性和成本均不具優(yōu)勢。飛兆半導(dǎo)體開發(fā)出了更為有效的智能功率模塊（SPM），其中剛剛推出的智能運(yùn)動功率模塊（Motion SPM）（FSB50325FSB50250H和FSB50450）是多芯片模塊，包括六個快速恢復(fù)MOSFET晶體管（FRFET）及三個半橋高壓集成電路（HVIC）。針對白色家電中的BLDC電機(jī)，這種模塊可以節(jié)省60%的能耗成本。

    對于開關(guān)式電源，降低待機(jī)能耗顯得非常重要。安森美半導(dǎo)體公司近年來在這方面做了很多努力，公司市場應(yīng)用高級工程師于輝表示，安森美的絕大多數(shù)PWM控制芯片都具有待機(jī)功能。芯片本身可以通過檢測電路工作狀態(tài)，在空載或輕載情況下自動實現(xiàn)待機(jī)功能。為進(jìn)一步降低待機(jī)能耗，從系統(tǒng)設(shè)計角度考慮，安森美還推出了極低待機(jī)能耗的PWM控制芯片NCP1230/1，該系列產(chǎn)品可在輕載/空載時關(guān)斷功率因數(shù)校正（PFC），消除了一個功率環(huán)節(jié)，降低了整個系統(tǒng)待機(jī)能耗，該產(chǎn)品適用于筆記本電腦、顯示器等適配器電源。

    特別值得一提的是今年一季度推出的適用于適配器、含PFC級的高效率、超低待機(jī)能耗電源方案NCP1603。該芯片內(nèi)置非連續(xù)電流型PFC控制芯片NCP1601和電流型PWM控制芯片NCP1230，將PFC和PWM芯片集成于一體，充分結(jié)合兩種芯片的優(yōu)點(diǎn)，避免了兩段設(shè)計常見的頻率同步問題并在輕載/空載情況下關(guān)斷PFC段，實現(xiàn)了超低待機(jī)能耗。