电源与电源管理技术发展趋势

 
Bill Hutchings
Microchip 数字信号控制器部产品市场经理

　　数字电源因其成本低、结构简单，而在电源转换产品中得到越来越广泛的应用。数字电源控制器芯片的出现正进一步推动着这一发展趋势，如Microchip针对数字电源转换的dsPIC数字信号控制器(DSC)就是这样的芯片。数字电源解决方案与具有相同功能的全模拟电源解决方案相比，性能更佳、成本更低，因此电源转换OEM正在越来越多地采用数字电源。

　　采用数字电源实现电源转换产品，开发商在设计和商业运作中受益良多。这是因为数字电源通过可再编程软件实现电源转换控制，而且Microchip的数字控制器解决方案具有以下性能和特点：
　
　　.增加了功率密度

-通过减少元件数量和减小尺寸，缩小了系统尺寸；
-效率的提升使散热片更小；
-先进的开关技术使磁性元件更小。

　　.　成本更低，产品上市更快，生产更容易
-使用更少的元件实现功能丰富的设计；
-由DSC软件执行功率因数校正；
-降低因元件容差/漂移而引起的设计复杂性；
-利用软件以更少的硬件平台支持各种各样的终端产品；
-消除了生产线调整，因元件容差问题减少；
-允许下生产线后进行配置(负载限制和通信协议等)；
-提高了自测功能，简化/加速了产品测试。

　　.　新的高性价比特性
-适应变化的负载(容性、感性、阻性和电流要求)；
-更好的瞬态响应性能指标(不局限于线性技术)；
-控制电压的变化，避免元件参数超出性能指标；
　　
　　.　增加了可靠性
-限定电源的工作参数不超出性能指标外；
-元件数量的减少有助于提高可靠性；
-成本较低的冗余选择。

　　.　保护知识产权
-由存储在受保护闪存中的软件实现关键的创新IP。
一些相对的问题包括：

　　.　数字控制器成本；

　　.　设计团队对数字控制和技术的熟悉程度和经验深浅。

　　在OEM或设计团队权衡数字与模拟解决方案的优劣和成本时，答案并非总是指向采用全数字技术的实现。Microchip为电源转换行业提供处理器和模拟解决方案已经很多年。我们认为，向数字电源的转变是一个变换过程。我们提供广泛的解决方案，所以用户可以根据其产品及设计团队的资源和经验，从中选择最合适、最有用的解决方案来实现数字控制。

　　数字电源的技术趋势正在从专用电源产品和开发平台转向容量较高的标准和半定制产品。数字电源控制器解决方案的推出使这种技术趋势成为可能，因为数字电源控制器解决方案是更实用、经济高效、高度集成和易用的解决方案。

　　用数字电源取代模拟电源解决方案是可行的，有很多全数字电源产品可用。现在全数字电源转换产品已得到电源公司的响应。这包括AC-DC电源，大功率DC-DC转换器和纯正弦波逆变器(如在线和离线不间断电源)。数字电源通常也应用在太阳能和其他可再生能源的逆变器系统中。
现在，数字电源转换和数字电源管理是相当普遍的。曾经制约全数字电源发展的一些障碍现在正得到解决。这包括：

　　.　小型高集成的经济型控制器解决方案，这种解决方案也具有各种终端系统电源转换器所需的性能；
　　.　设计团队对数字电源的经验和知识；
　　.　清楚了解用数字电源实现终端系统电源产品在商业和技术上的优势。

　　数字电源产品的开发与开发模拟电源产品非常类似。主要的考虑事项、设计和测试参量是相同的。通常，开发一个数字电源系统较模拟解决方案的开发和测试要容易。其原因是，随着更多的设计转向数字领域，可以通过快速修改软件进行设计的修改和调整。

　　我们针对SMPS和数字转换应用的dsPIC DSC具备众多优势。这些dsPIC DSC本身包含SMPS解决方案，不需要很多的外部支持芯片，因为DSC内置有做此类工作的外设。相对于其他解决方案，用于SMPS和数字电源转换的dsPIC DSC不需要外部元件执行以下功能，因为dsPIC DSC都能处理：
　　.　内部电源PWM；
　　.　内部ADC；
　　.　内部精密振荡器；
　　.　内部通信外设；
　　.　单电源电压；
　　.　内部闪存和RAM；
　　.　小尺寸；
　　.　扩展级温度范围；
　　.　功率因数校正不需要分立的芯片。

　　所以，SMPS和数字电源转换专用的dsPIC DSC，与其他解决方案相比，元件数量可减少达50%。■

 
Tony Armstrong
凌力尔特公司电源产品部产品市场经理

　　2008年最大的增长机会之一将出现在由电池供电的手持设备领域。由电池供电的便携式设备需要几个不同的电压轨，这是非常常见的，这种设备通常采用单个输入源 ─ 一块锂离子电池。这些电压轨包括多个微处理器轨和大量特殊功能电压轨。因此，要求电池提供必需的功率这种需求大大增强了。不过，电池的外形尺寸仍然相对较小，因为功率密度仅获得了些许提高。结果，电池工作时间成了大多数便携式手持设备的一大卖点，从而产生了对非常紧凑和高效率的多路输出同步降压型转换器的需求。

　　与传统线性稳压器相比，同步降压型转换器由于转换效率提高而大大延长了电池工作时间。这些转换器具有 90% 至 95% 的效率，几乎无需任何散热措施。这种效率提高是以占用额外电路板空间为代价的，因为每个通道都有一个电感器，因此保持总体解决方案占板面积最小是极端重要。通过将多个通道组合到一个同步降压型解决方案中，所有这些通道都可以用一个输入电容器工作，从而保持解决方案占板面积最小。凌力尔特公司推出了多路输出同步降压型稳压器系列，以组成这类超紧凑、高效率的解决方案。例如，需要 1.2V、1.5V、1.8V 和 0.8V 电源轨用作 DSP 内核、I/O 和存储器电源并采用单节锂离子电池(VBATT 开始时为 4.2V，之后下降到 2.7V)的应用，就可以采用这个系列的稳压器。

　　不过，一个刚刚出现的趋势是，便携式设备中还包含一个微型硬盘驱动器，以实现高容量存储能力，从而允许智能电话等产品具有高密度存储能力。
另外，今天很多蜂窝电话具有内置的数码相机，能拍摄高分辨率照片和视频。相机性能的提高也导致需要大功率白色光源，以使相机能在室内或暗淡的环境光线中使用。白光 LED 已经成为配备相机功能的蜂窝电话的主要光源。因为白光 LED 具有现代蜂窝电话设计师所希望的多种特点：小尺寸、高光输出、能够提供“闪光灯”和连续“视频”物体照明。目前已经开发出专门用作集成式相机灯的高输出功率 LED。

　　几乎任何由电池供电的消费类设备都用彩色有源矩阵LCD来显示用户所需的不同信息和数据。不过，制造商面临的挑战是，确保用户在任何环境中都能从这种显示器上读取信息。为了达到这个目的，制造商必须提供具有合适背光照明量的彩色LCD。这种背光照明一般由白光LED提供。这导致需要紧凑、高效率和低噪声方法为这些LED供电。

　　另外，大多数数字媒体广播(DMB)设备制造商都用标称容量为600mAH的电池为其移动 TV 播放器供电，并提供一个较大容量的电池作为售后加装附件。同时，这些 DMB 播放器外形尺寸有限，不容许采取任何散热措施，因此在高功能含量导致功率预算紧缺的情况下，高效率DC/DC转换成为优先保留的重点。不过，既然DMB播放器用超过90%的时间提供TV覆盖，那么在这种模式时的功耗是非常重要的因素。出于这个原因，电源管理集成电路制造商已经采用了特殊方法，以确保其DC/DC转换器有非常高的转换效率。

　　去年，由于媒体的大量报道，“绿色环境保护”概念得以普及。结果，很多电源管理产品供应商在提高功率效率方面取得了很大进步。人们普遍认为，大多数工业化国家认识到需要节约能量。这是因为，随着这些国家人口的增加，他们需要更多的能量来为有加热/冷却系统、照明和家电的新家居供电。不仅建立新的发电设施耗费大量金钱，电能产生后向用户供电的成本也很高。据观察，与建立新的发电设施相比，将大多数家电的电流能耗降低 15% 至 20% 是更经济的做法。

　　由于建立新的发电设施成本很高，因此很多国家已经采用了所谓的“绿色政策”，以此鼓励制造商在最终产品中纳入节能技术。就用于节能 DC/DC 转换器的电源管理集成电路而言，必须具有两个主要特点。首先，必须有非常高的转换效率。其次，在备用和停机模式时必须有低静态电流。

　　不过，2008 年的一个潜在“热点” (如果可以这么说的话) 是无线连接性。似乎无论哪里的人都要通过电子邮件或 Web 不间断地开展业务活动，通过短信或话音通信与朋友和家人保持联系。结果，对实现这种“连接性”的产品将有很大需求，这类产品通常具有话音和数据传送功能，它们或者通过GSM或CDMA等电信标准、或者用WiMAX和蓝牙技术传送话音和数据。支持这类设备所必需的芯片组需要电源管理集成电路，以确保正确工作。不用说，这对凌力尔特这类模拟集成电路供应商将非常有益。

　　在凌力尔特公司专注的高性能市场段，其它市场区段中存在的产品重叠问题相对较小。在高性能市场区段，大多数产品都是专用的，没有可以直接替代的产品。因此我们继续获得成功的关键因素包括：

　　.　保持对高性能模拟集成电路的高度关注；
　　.　继续聘用、培训并留住这一领域最好的人才；
　　.　继续让我们的高级 R&D 技术人员与世界各地的客户保持直接和紧密的联系；
　　.　通过率先上市关键技术和产品，保持性能领导者地位；
　　.　在如何部署我们的开发资源方面，继续按照严格规定做出选择；
　　.　继续注意关键市场的变化，并敏捷迅速地做出反应。■