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(duì)電源管理形成大量新的需求。與此同時(shí)，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(shí)又要讓它維持較長的工作時(shí)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(shí)，隨著處理器速度的加快，整個(gè)電源管理方案和各個(gè)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(jì)。
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(jì)這類器件時(shí)，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?！?nbsp;
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(jì)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(duì)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(duì)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(shí)將外部元件數(shù)量減到最少。”
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(hào)。創(chuàng)新性的電路設(shè)計(jì)，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(dòng)、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(duì)電池的功率管理設(shè)計(jì)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(huì)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(gè)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(gè)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(duì)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(jì)到投產(chǎn)的時(shí)間變得很長。
對(duì)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(shí)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(jì)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(shí)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(duì)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(gè)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(shí)間，是設(shè)計(jì)者優(yōu)先考慮的重點(diǎn)之一，對(duì)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(jì)工程師需要面對(duì)的一個(gè)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(gè)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(dòng)像素鏈路(MPL)，它是基帶處理器與顯示屏/相機(jī)之間的一個(gè)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(dòng)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(dòng)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?！笆袌鲆蟋F(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(gè)RGB顯示提供背光電源?！盠inear的Armstrong說。他注意到產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(duì)于10%的電流精度尚能接受，但他們絕對(duì)容忍不了匹配精度高于5%。”
另一個(gè)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(jì)，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(huì)全部被刪掉。NS全新推出的LCD驅(qū)動(dòng)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(shí)直接與顯示模塊建立聯(lián)系，以便傳送數(shù)據(jù)。這個(gè)設(shè)計(jì)確保相機(jī)在執(zhí)行預(yù)覽功能時(shí)，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(shí)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(duì)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(duì)這些敏感電路形成潛在的干擾。最常用的解決辦法有兩個(gè)：一為改善電路設(shè)計(jì)，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(duì)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(huì)因?yàn)槌杀竞统叽绶矫娴南拗疲兊貌磺袑?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(hào)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?！痹摴镜腇AN5602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(gè)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(shí)鐘產(chǎn)生高頻抖動(dòng)。這種方法加上擴(kuò)頻操作，能夠利用一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)(PRN)序列對(duì)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(gè)在逐個(gè)周期之間具有隨機(jī)時(shí)間間隔(但固定于1MHz和1.6MHz之間)的時(shí)鐘脈沖而設(shè)計(jì)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(tái)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?！倍噍斎?、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?cè)缫讯聪み@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(gè)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(jì)社群有一個(gè)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(gè)目標(biāo)必須克服多項(xiàng)挑戰(zhàn)，包括制定積極的開發(fā)計(jì)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(jì)數(shù)量都在增加。例如具有10個(gè)或更多電源通道的器件通常用于專用設(shè)計(jì)，如智能電話或數(shù)碼相機(jī)。但亞洲市場對(duì)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(jí)的電源管理和電池管理，以便將功耗降至最低，并尋找能計(jì)算剩余可用能量、或者系統(tǒng)何時(shí)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(shí)間。為了獲得最佳的性價(jià)比，新型電池管理芯片器件在一個(gè)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(duì)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(jí)實(shí)現(xiàn)電池管理，而不是在單個(gè)元件上實(shí)現(xiàn)?！?nbsp;
另外，還有一種趨勢是利用USB對(duì)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(duì)AC適配器、USB電纜和鋰離子電池之間的功率流動(dòng)進(jìn)行無縫管理。該器件集成了一個(gè)全功能鋰離子電池充電器和兩個(gè)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(hào)、用于向存儲(chǔ)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(duì)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(jì)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(duì)手機(jī)設(shè)計(jì)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(duì)現(xiàn)有設(shè)計(jì)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(jì)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(dòng)變換。每個(gè)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(dòng)器FMS2000和FMS2004。據(jù)稱，這些器件可對(duì)閃光亮度/持續(xù)時(shí)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(jì)人員不想在微控制器以外再為一個(gè)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。”
評(píng)論