電源管理的使用趨勢(shì)

在眾多應(yīng)用中，設(shè)計(jì)電源管理部分的復(fù)雜性近幾年大幅上升。現(xiàn)在系統(tǒng)一般都需要10個(gè)或者更多不同的電源管理IC，不僅需要提供多種電壓（彼此功率級(jí)別差距很大），而且還需要提供多種系統(tǒng)支持功能。許多系統(tǒng)的電源管理部分目前都會(huì)在很大程度上影響設(shè)計(jì)總成本，以及開(kāi)發(fā)應(yīng)用所需的時(shí)間。如果設(shè)計(jì)人員能夠提前考慮到各種選擇，并能夠利用IC制造商提供的最新產(chǎn)品與設(shè)計(jì)支持，那么就能夠改善系統(tǒng)性能，并降低總體開(kāi)發(fā)時(shí)間和成本。

電源管理要求根據(jù)最終設(shè)備的不同而差異很大，但我們可以將應(yīng)用分為便攜式供電或墻上電源供電，從而可以更好地理解市場(chǎng)中的各種趨勢(shì)。盡管許多趨勢(shì)均會(huì)影響應(yīng)用領(lǐng)域（如較低的電壓、更高的效率以及多種電源插座等），但便攜式系統(tǒng)顯然與外部電源供電的系統(tǒng)相比有著極不相同的電源要求。

為便攜式應(yīng)用提供核心動(dòng)力

在便攜式系統(tǒng)中，要求電流較低，并且效率和設(shè)備尺寸也是非常重要的因素。電池管理方面的挑戰(zhàn)是至關(guān)重要的，其中包括快速、方便而安全地進(jìn)行電池充電的功能；除了筆記本電腦之外，越來(lái)越多的應(yīng)用可以正確顯示電池剩余電量。IC應(yīng)當(dāng)在范圍廣闊的輸入電壓上工作（鋰離子電池的電壓在其工作范圍內(nèi)會(huì)有2.6V至4.2V的差異），而低負(fù)載和高負(fù)載上的效率則變得至關(guān)重要。

就諸如MP3播放機(jī)、PDA以及數(shù)碼相機(jī)等眾多便攜式應(yīng)用而言，系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員必須在成本、尺寸和電池壽命之間做出取舍。這些取舍會(huì)直接影響電源的選擇以及IC制造商正在開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。成本最低、最簡(jiǎn)單易用以及最小型的解決方案顯然會(huì)采用LDO 穩(wěn)壓器，但其弱點(diǎn)是效率不高。如果電流負(fù)載較高而功耗又非常大（如處理器和邏輯電源），且電池電壓需要"提高"（如顯示器背光所需），那么就需要開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。

便攜市場(chǎng)還極大推動(dòng)了封裝發(fā)展趨勢(shì)--器件變得越來(lái)越小。便攜系統(tǒng)中流行兩種新型封裝技術(shù)，即塑料無(wú)引線(xiàn)芯片載體（QFN或MLP）以及WSP（晶片級(jí)）封裝。塑料無(wú)引線(xiàn)芯片載體是一種不使用外部引線(xiàn)的封裝技術(shù)，與傳統(tǒng)封裝相比，其不僅體積減小了約 50%，而且還具備良好的散熱性能。WSP（或CSP，即芯片級(jí)封裝）不使用任何封裝，但一旦經(jīng)過(guò)處理，就可以將芯片直接焊接在板上，從而比無(wú)引線(xiàn)芯片載體方法進(jìn)一步節(jié)約了空間。圖1顯示了如何將集成功能封裝于小型MLP封裝中的示例。

圖1、MLP封裝中的bqTINY

圖2展示了典型便攜式應(yīng)用中的大量組件，顯然我們可以對(duì)其進(jìn)行集成。IC制造商正推出可將多種電源功能結(jié)合到同一IC上的新型產(chǎn)品。

圖2：典型便攜式系統(tǒng)擁有眾多電源管理塊

為墻上電源應(yīng)用提供核心動(dòng)力

連接至外部電源的系統(tǒng)正越來(lái)越多地向分布式電源總線(xiàn)轉(zhuǎn)移。大型計(jì)算機(jī)和電信市場(chǎng)中，系統(tǒng)包括諸如FPGA、ASIC和數(shù)字信號(hào)處理器等許多IC，其電源來(lái)自多種且常常是非常不同的電源軌，在這種情況的推動(dòng)下，目前的趨勢(shì)是生成單電壓總線(xiàn)（如5V），而后通過(guò)"負(fù)載點(diǎn)"電源從該總線(xiàn)為各種負(fù)載（如1.8V、1.5V等）進(jìn)行供電。在許多此類(lèi)應(yīng)用中，負(fù)載常常超過(guò)20A，這就給電源設(shè)計(jì)者提出了一個(gè)技術(shù)挑戰(zhàn)。多相轉(zhuǎn)換器正越來(lái)越多地用于這些需要更高電流的應(yīng)用中。隨著電流的增加，人們就分布式總線(xiàn)選用的電壓也展開(kāi)了新的討論--電壓越高，總體系統(tǒng)效率就越高，而總體系統(tǒng)成本也就越低。如果電壓上升太高，電源設(shè)計(jì)就會(huì)變得非常復(fù)雜。許多應(yīng)用都將未來(lái)的目標(biāo)設(shè)為12V，但理論上說(shuō)，較低的電壓（如8V）可能是最佳解決方案。

當(dāng)然，墻式電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員還具備另一個(gè)便攜式設(shè)計(jì)人員所沒(méi)有的優(yōu)勢(shì)，即他們根本不必進(jìn)行電源設(shè)計(jì)--他們只需購(gòu)買(mǎi)一個(gè)設(shè)計(jì)就可以了。眾多采用48V總線(xiàn)電壓的系統(tǒng)都選用電源模塊或程序塊來(lái)生成系統(tǒng)所需的較低電壓。有許多Vin/Vout/Iout組合可用，常常占用了標(biāo)準(zhǔn)的占位面積，且新型產(chǎn)品還在單個(gè)封裝上集成了多種輸出，從而進(jìn)一步簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。即便決定使用離散解決方案上的模塊，但我們還是有機(jī)會(huì)通過(guò)使用備用電源架構(gòu)來(lái)節(jié)約成本。通過(guò)以單一隔離程序塊 (isolated brick) 代替多個(gè)48V隔離程序塊（每個(gè)都用于不同的電源電壓），并隨后配以多個(gè)低成本非隔離模塊（離散解決方案），我們就可以顯著降低成本，而不會(huì)增加設(shè)計(jì)復(fù)雜性（見(jiàn)圖3）。

圖3：可用一個(gè)48V程序塊代替多個(gè)48V電源，并隨后配以數(shù)個(gè)非隔離模塊，以達(dá)到節(jié)約成本的目的。

從BOM角度看，成本最低的解決方案顯然是自行設(shè)計(jì)電源。為了解決這一需求，IC制造商正在開(kāi)發(fā)眾多新型產(chǎn)品，將更高級(jí)性能與更高集成度相結(jié)合，同時(shí)還致力于使其更加方便易用。就非隔離式設(shè)計(jì)而言，通常購(gòu)買(mǎi)一個(gè)比設(shè)計(jì)一個(gè)要?jiǎng)澦愕枚?。盡管成本節(jié)約會(huì)更多，但進(jìn)行單獨(dú)的設(shè)計(jì)也要復(fù)雜得多，要求具備有經(jīng)驗(yàn)（并且要地專(zhuān)門(mén)的）的開(kāi)發(fā)小組。許多OEM都在進(jìn)行此項(xiàng)投資，并獲得了顯著成本節(jié)約。

利用IC供應(yīng)商的專(zhuān)業(yè)技能

日前制造最終設(shè)備的不同趨勢(shì)結(jié)合其芯片所使用的技術(shù)創(chuàng)建了一個(gè)大型的、快速成長(zhǎng)的電源管理市場(chǎng)，新型IC為該市場(chǎng)提供了很好的服務(wù)。在開(kāi)始新的項(xiàng)目前，設(shè)計(jì)工程師應(yīng)查看不同廠(chǎng)商提供的最新電源管理IC，很可能會(huì)找到一種新型設(shè)備能夠更好地滿(mǎn)足應(yīng)用要求。

在許多組織中，負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)電源管理部分的工程師都不是電源設(shè)計(jì)人員，而是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員，因此面臨著設(shè)計(jì)各個(gè)方面的挑戰(zhàn)。由于"系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員"取代"電源設(shè)計(jì)人員"的趨勢(shì)，許多IC制造商都將大量資源投資于可為其產(chǎn)品提供應(yīng)用支持的各個(gè)方面。制造盡可能方便易用的IC正成為在該市場(chǎng)中一馬當(dāng)先的關(guān)鍵。目前許多器件均具備詳細(xì)的應(yīng)用附件及評(píng)估板，而且提供軟件工具成為新趨勢(shì)。軟件將滿(mǎn)足工程師就系統(tǒng)電源管理部分的關(guān)鍵要求，并根據(jù)一般組件數(shù)據(jù)庫(kù)推薦方案和BOM。這些工具最后都會(huì)成為設(shè)計(jì)人員的有益設(shè)計(jì)助手，不管他們是否具備豐富經(jīng)驗(yàn)，并能夠減少設(shè)計(jì)時(shí)間和風(fēng)險(xiǎn)（見(jiàn)圖4）。

圖4：軟件工具縮短了開(kāi)發(fā)時(shí)間。