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电源管理欣欣向荣相应元器件扶摇直上

时间:2006-06-06 00:00来源:compotechasia.com 作者:admin 点击:

德州仪器(TI)中国区模拟业务销售总监王剑曾把电源管理芯片比喻成“砖块”,表示任何产品设计,其实都不脱一个“VIP”的基本格局──即“电压(V)、电流(I)和功率(Power)”,足见电源技术的独特地位。一般而言,电流越大则功耗越高,有时更会使输出增大好几倍(V+I)!复杂的“开关模式”拓扑,最初的体积如同一块砖的大小,显得极为笨拙;但随着技术的不断发展,体积逐渐变成“半块砖”、“1/4块砖”……现在,部分低功耗版本的尺寸已可微缩至一颗小芯片。

由于电路对电源变化的“稳健性”和“容限度”各不相同,致使吸收冲击的能力往往也较弱;此时稳压器便如同连接泥泞乡村土路与光滑高速公路的桥梁,起到消除电源纹波的关键作用,使电路不致损坏。而电源电压监控器(SVS),也称为“复位电路”,基本上可把它们比作监视电源电压的哨兵,当发现电压低于阈值时,便会举旗报警;与处理器配合使用,当电源中断和电池耗尽时,可保证系统能够保存数据并安全关机。部分SVS具有更多的功能,例如:后备电源开关、故障早期报警等。“看门狗”也是这种应用之一,用以连接CPU/DSP/MCU,以监看是否进入死循环。

同样是电源设计,可能也有着不同的主、客观状态(例如:电压值的转化、电源的隔离等);为维持整个电源系统的稳定性,需要诸多不同的子应用来加以管理,稳压、监控和分配,是电源管理的几项核心功能。随着对系统的要求越来越高,对电源的要求更是越趋严苛,新的电源设计创新也成了迫在眉睫的首要课题。对此,电源管理业界的专家们,又有着怎样的体会与看法呢?


AC/DC转换:1W倡议呼声
日益高涨


电流有AC交流和DC直流两种形式,将存在于墙上插座及电线的交流电,转换成电池或电子电路所需的直流电,即为AC/DC转换,亦称为“离线转换”(offline switch)。符合环保要求的AC转DC电源管理技术,是便携式电子产品所不能缺少的技术。

基于节能考虑,我们常会希望电子系统在不作用时,尽可能关闭系统中的部分电路,像笔记本电脑中的硬盘驱动器或屏幕。蝉联多年电源管理芯片龙头宝座的美国国家半导体(以下简称NS),其亚太区电源管理产品市场总监黄汉基表示,将待机静电流降到1W、甚至是0.5W以下,是电子产品厂商极其重视的目标。新产品必须加设环保模式,已是业界普遍认同的理念;系统集成商必须采用设有跳越模式的AC转DC电源管理技术,为此,NS特地推出一款型号为LM5021的芯片,可将待机模式的电源供应降低至0.3W,以满足低功率操作的要求。

与NS有着深厚亲缘的飞兆半导体,奠基于良好的基础之上,近来在电源管理市场的表现亦不俗。经过去年在减少库存、改进渠道管理流程方面的努力之后,飞兆终于得以在今年第一季恢复符合终端市场消费情况的出货量;根据最新的WSTS数据显示,飞兆半导体今年第一季度在模拟和高值功率分立式业务两方面都已增加了市场份额。在日前所公布的2006年第一季业绩报告中显示,该公司第一季销售额为4.095亿美元,比上季增长10%,较去年同期增长13%,即使在季节性销售低潮,仍获得理想增长,取得令人瞩目的成绩。

鉴于国际能源署(IEA)将待机功耗降至1W以下的“1W倡议”要求,飞兆推出在待机模式下(265Vac输入时小于0.1W)采用间隙模式工作的新型功率开关(FPS)来因应。这类高集成度离线功率开关集成了一个用于电流检测的完全额定雪崩值SenseFET (LDMOS)(最小额定击穿电压为650V或700V),以及一个电压模式PWM IC,并配有内置启动开关,无需外部启动电阻器。飞兆半导体公司亚太区总裁兼董事总经理郭裕亮表示,由于LCD电视等现代电器的体型极薄,电源系统必须体积小而且效率高,在正常运行状态下效率必须达85%,待机功耗也需满足“能源之星”少于1W的要求。

为了满足正常运行时的高效率和低待机功耗的要求,飞兆半导体采取的策略是将整个系统分成两个子系统:一个是支持正常运行的主电源子系统,另一个是支持待机的辅助电源子系统。在待机模式下,飞兆半导体采用SMPS功率开关FSDM311构建待机电源向电器的逻辑模块供电。FSDM311采用内置高压启动开关技术和先进的间隙模式运作来降低开关损耗,因此功耗极低。

在正常运行状态下,主电源由飞兆半导体的FAN4800 PFC/PWM单片式芯片组合控制IC来构建,其中使用了ZVS(零电压开关)ASHB(非对称半桥)拓扑电路结构来实现高效率,并利用FAN7382作为上桥臂MOSFET的驱动电路。此外,还采用了专利的LEM(脉冲前沿调制)PFC/TEM(脉冲后沿调制)PWM同步技术,以减小PFC部分和PWM部分之间存储电容的纹波电流,使电源效率更高、体积更小。FAN4800则带有高性能的平均电流模式PFC控制模块,能满足PFC技术规范要求;该器件还有一个附加特性,其电流馈入增益调制器使其具有卓越的抗噪性能。
  
◆动态检测与负载管理  追踪电流电压亦步亦趋

随着便携式电脑和手机的普及,新的电池技术也得到了相应的发展,对单块电池的续航能力也提出了更高的要求。于是,简易的低电池电量检测、安全的充放电、温度控制,以及监测并显示剩余电量等功能,便成了基本的需求。Li-Ion、NiCd、NiMH、Lead-Acid等不同电池技术皆具有不同的特性,如果充放电方法不当,AC/DC转换有瑕疪,可能会引起爆炸。

飞兆半导体的FPF200X系列,也拥有8个先进的负载管理产品,能够简化需要负载保护、控制和故障管理的功率管理设计,为设计人员带来新的选择。所有这些功能与低损耗PMOS开关及众多技术选项相结合,可迅速缩短大批量小型SMD SC70-5(无铅)封装产品的上市时间。每个产品都包含了限流(带范围选项)、欠压锁定、浪涌电流限制、快速短路保护和热关断等保护功能,同时通过整合了自动重启动、故障消隐(fault blanking)和故障状态标记等选项的内部硬件来管理故障状况。飞兆的郭裕亮指出,锂离子电池充电需要恒定的电压电流控制,因此充电器电路必需具有3种基本功能,即:用于恒定电压控制的电压检测、用于恒定电流控制的峰值充电(负载)电流检测,以及有关充电状态的充电电流监控功能。此外,往往还需要能够确保外部微控制器处于正确电压级的能力。

对系统设计人员而言,要获得更好的终端单元性能及延长便携式设备电池寿命,便携式设备中功率管理的负载管理部分变得越来越重要。对于一些关键的电源管理重点,美国国家半导体也备有相应的产品:
● 负载点管理:执行这个功能的芯片必须具备高电流、高效率的优点,而且芯片体积必须极为小巧。美国国家半导体的同步控制器──LM177x、LM274x及LM5642等,都可满足这方面的要求。
● 充电器:必须具备USB充放电及电池温度监控功能,而且必须设有CCCV及低压降稳压两种模式。美国国家半导体的LM3658芯片完全符合这些要求。
● 低压降稳压器:这种稳压器必须具备高PSRR、低压降、低静态电流及低输出电压等优点,才可满足便携式电子产品的要求。美国国家半导体的LP5900芯片便符合以上的要求。至于工业方面的应用,低压降稳压器除了必须具备低静态电流及低压降的优点之外,还必须提供较高的电流输出以及产生较少噪音。美国国家半导体的LP387x系列芯片是主攻这个市场的产品。

除了本身的负载管理,外围元器件的配合也是不可少的。美国国国家半导体特别为便携式电子产品提供一系列称为功率放大器供电系统(SuPA)的智能型直流/直流转换器。CDMA/WCDMA等手机一般都采用线性的功率放大器,这个线性特性令这类手机的耗电量比GSM/GPRS 手机高。SuPA可与功率检波器(例如美国国家半导体的LMV228低电压放大器)搭配一起,以便为功率放大器提供动态电压调节(DVS)功能,因此即使CDMA/WCDMA电话的输出要求不变,供电系统也可因应情况降低供电量,以节省能源。采用这个配置的便携式电子产品也因此可以大幅延长其电池寿命。

◆控制IC效率集成  高压器件功不可没
高压技术的特点是充分利用高压、模拟及逻辑电路等技术,并将之集成为单芯片的解决方案,而“功率密度”则是衡量电源供应器优劣的重要参数。只要提高功率控制芯片的技术集成度,便可减少所需元件数目,从而缩小电源供应器的体积。美国国家半导体的ABCD高压技术,正是其中一种可提高功率密度的电源管理技术;LM502x及LM503x等控制器集成电路,都内置100V的偏压稳压器及脉冲宽度调制(PWM)控制器。以采用LM5035芯片为例,它除了内置100V门驱动器、100V偏压稳压器和PWM控制器之外,还设有多种不同的监控功能,因此可以确保大小只有1/8及1/4砖块模块的供电系统,能提供较高的输出功率,可进一步精简电源供应系统的设计。

NS黄汉基指出,供电系统的开关频率越高,功率密度也就越高;开关频率越高,设计电源供应系统的工程师便有更大的空间,可以选用体积较小的无源元器件如电感器及电容器。美国国家半导体的ABCD高压技术利用MOS功率晶体管,以支持高电流的功率转换以及模拟和数字电路。MOS晶体管可在高频区操作,以提高电源供应的开关频率,这样有助进一步改善开关效率。“输出电压的准确性是衡量电源供应系统优劣的另一重要参数”,黄汉基说。美国国家半导体的高压技术采用准确的薄膜金属晶体管,而且设有微调功能,因此可以按照个别设计的要求调节参考或输出电压。

同样对高压MOSFET有着独到心得的飞兆,则以具有低导通阻抗和低栅极电荷卓越性能的SuperFET技术问鼎天下。这项先进技术专门设计用于降低传导损耗,提供出色的开关性能,并能承受极端的电压瞬态转换速度(dv/dt)和更高的雪崩能量。因此,SuperFET非常适合于开关模式工作下的各种不同AC/DC功率转换,以实现系统微型化并提高效率。要连接AC线,除了上述控制IC外,还需要大量高压器件,例如:具有高反向电压(600V)、低正向压降(8A时为1.5V)和超快速恢复能力 (trr<60ns) 的升压二极管RURP860,以及采用平面条纹DMOS工艺制造的、开关速度高、导通阻抗非常低(在VGS=10V下的导通阻抗为0.73W) 的500V N沟道增强型MOSFET开关管FQP9N50。飞兆半导体拥有所有这些技术和产品及其相应必需的专业能力,未来更继续向更高价值产品结构转型。

此外,AC/DC转换常常采用反激式电路,而飞兆半导体的功率开关(FPS)系列简化了反激式电路的设计。在FSD2x0B(x代表0或1)系列中的每一个产品,都由一个脉冲宽度调制器(PWM)和Sense FET所集成,是专门为外接元件数目最少的高性能离线式开关模式电源(SMPS)而设计。该系列的两款器件都是集成式高压功率开关调节器,整合了一个抗雪崩的Sense FET和一个电压模式PWM控制模块。

该集成式PWM控制器包含:带频率调制的可减少EMI的固定式振荡器、欠压锁定(UVLO)保护、前沿消隐(LEB)、优化栅级导通/关断驱动器、过热(TSD)保护,以及为实现回路补偿和故障自保护电路而采用的带温度补偿精密电流源。与分立式MOSFET和控制器或RCC开关转换器方案相比,FSD2x0B减少了总体元件数目、外形尺寸及重量,并同时提高电源效率、生产率和系统可靠性。两款器件都为具成本效益的反激式转换器设计提供理想的基本平台,非常适合于实现电池充电器所需的功能。
  

DC/DC转换:升降压控制提高电池利用率

当有了X伏特的直流电后,往往需要将电流转换为更高/更低的电压,或是负电压,这个过程就是DC/DC转换。在这方面的应用,由于锂电池供电系统的复杂性不断提高,衍生更多电压的管理需求,同时要求在更小空间内实现更高功率,因此“如何提高电池利用率”便成了关键任务。

对于DC/DC转换,常常用到降压电路;飞兆的FAN5069集成了一个高效率的PWM控制器和一个LDO(低压降)线性调节控制器,所采用的同步整流技术即使在很宽范围的负载电流范围上,也可提供高效率。同时,可利用下桥臂MOSFET 的 RDS(ON) 来检测电流,从而进一步提高效率。LDO是低压降电压调节器,在额定电流范围内,可提供恒定电压输出。这些调节器具有多种功能,如:峰值电流保护、热关断、过压保护和输出使能控制等。

德州仪器(TI)近来对于以电源管理芯片延长多媒体设备的锂离子电池使用寿命,也做出诸多努力;日前刚推出的DC/DC升降压转换器(Buck-Boost Controler)──TPS63000,不仅支持当前锂离子电池的工作范围,还未雨绸缪地为将来新型电池技术考虑。TI表示,将来电池的工作范围可能宽及2.3V~4.5V,而TPS63000一旦选用的外部器件合适,即可在1.8V~5.5V的宽泛电压范围内实现高达96%的效率,并同时输出高达1.2A的输出电流。此时产品线齐全,范围涵盖电池管理(充电控制、电量检测)以及电源转换(稳压、控制、接口)的TI尤其具有优势;身为全球第二大电源管理芯片的供应商,TI小从分立元器件、大到集成电源管理芯片,一应俱全(TI旗下电源管理业务分为三大块:便携式电源、系统电源和插入式电源)。

与标准的3.3V降压转换器相比,可使电池的待机时间,整个系统的工作效率能增加至少15%~25%。如此可让电池发挥它的最大的效能,供电的时间更长。TI模拟资深技术销售李志林介绍说,锂电池充满电时的电量是4.2V,放电至快耗尽时约是2.5V~2.75V,而手机的主芯片要求电压是3.3V。在多数情况下,特别是在一些要求更高的情况下,在电压降到3.0V或3.3V时手机就会自动关断了。如果电源管理器件只是Buck降压器,在低于这个范围后就不能再工作了;但TPS63000的好处是,它是个将升压和降压加在一起的器件(Buck-Boost),能够把电压低至1.8V以及上升到5.5V的工作,并永远保持在3.3V输出。

得益于节省空间的3mm×3mm无引线QFN PowerPAD封装,新型TPS63000升降压转换器的运行时间相对于3.3V输出电压的标准高效降压转换器延长了28%;另借助固定频率的PWM专利技术,该器件能够利用同步整流技术保持高效的开关频率(TPS63000固定工作频率为1.5MHz),需要外部的电感比较小,仅2.2 礖即可支持目前的单体锂离子电池。特别一提的是,如果觉得95%不够高的话,工程师在具体应用时,还能在L2和Vout之间、Vin和L1之间,再并入一个效率基管,可再将效率提高一到两个百分点。

TI中国区模拟业务销售总监王剑补充说,TPS63000对于一些PMP硬盘或功耗较大的CPU,尤其能突显出它在容量上的优势。像一些配有硬盘的高端手机,在硬盘启动的一刹那会需要很大的电源,这时候往往大的电源会把整个电池电压都拉下来,可能一下子低于3.3V、或低于整个硬盘系统需要;这时候TPS63000可以发挥它的优势,在整个输入电压的全范围内都可以完成这个供电。当然,这个电压的范围也是有一定限制的。虽然从电池使用的理论上讲,电池可以放得很空,直到电压低于临界值而自动关机;但从维护锂电池的使用寿命上,并不建议放得很空以后再充电(过放电),因为那样容易损坏电池的寿命。

TPS63000具有不到30mA的极低静态电流、高效节电以及电压保护等多种特性,另在低功耗工作状态下会进入节电模式,也可选择禁用该模式,从而迫使转换器以固定开关频率工作。禁用该转换器还能尽可能地减少电池电量流失。在停机状态下,该器件完全不消耗电池电量。TPS63000现已投入量产,每1,000片批量建议零售单价为2.75美元。获取TPS63000评估板、应用手册以及TI第二季度最新版《电源管理选择指南》:www.ti.com/tps63000-pr。

  
PMU电源管理单元正流行

对于消费类电子的厂商来说,如何选择合适的电源芯片搭配?需视电源系统的复杂程度而定。例如:MP3可能只需一个DC/DC,再加一个1.8V、电流比较小就得以实现,只要2个器件就能做到;但如果是3G手机,就可能需要2路DC/DC、有Charger,还有很多的IDO和背光电源之类,这时候有可能会选择集成度较高的PMU(Power Management Unit)。

面向不同市场需求,美国国家半导体有不同的电源管理解决方案以因应。以低端便携式电子产品市场为例来说,美国国家半导体的LP3927是一款专攻这个市场的高集成度芯片,其中内置5个线性稳压器,在成本效益上显然极具优势。至于中端便携式电子产品市场,美国国家半导体的LP3955内置电池管理单元、开关稳压器及8个线性稳压器,不但可以提升效率以延长电池寿命,而且还可提高设计上的灵活性,例如另有供电干线以支持新加的先进外围设备。
此外,美国国家半导体最近宣布推出一款设计非常灵活的电源管理单元。这款型号为LP3971的芯片可以支持高端的移动通信产品如智能电话或GPS/PMP。LP3971芯片内置3个高电流输出的开关稳压器、5个线性稳压器以及可以同时传送实时时钟(RTC)的另一供电干线,确保高端便携式电子产品可以满足应用处理器的严格供电要求。事实上,这类高端电子产品的用户接口大部分已舍弃调制解调器而改用应用处理器。

智能电源管理技术是美国国家半导体重点开发的芯片技术,其优点是能够满足不同应用的不同需要。LM5068及LM5069是其中两款可以支持热拔插的产品,而这一系列的其它型号将会陆续推出。由于电源管理技术无法在功率转换效率方面再有任何重大的突破,因此目前面对的问题是如何充分利用系统供电。我们的高集成度电源管理单元及创新的PowerWise技术可以满足新一代便携式电子产品的供电要求。我们将会继续致力研发能满足系统要求的电源管理技术,不断为瞬息万变的产品市场提供新一代的芯片产品。

TI也有PMU这种集成度很高的电源产品,可能集成Charger和两路DC/DC或者是3路DC/DC,包括升压、光驱动,也可能有6~11路的IDO。在这种情况下,TI的集成性,集成的好处就体现出来了。比如说我们放在这么小的体积里面,只有集成度越高可以体积越小,另外性能也要非常高。最重要的是,TI有一系列包括模拟器件,从放大器、接口产品到转换器,使其每研发一个产品时,至少对每个产品的应用系统是非常了解。

TI的王剑指出,对整个系统来讲,包括CPU、Memory和一些相应的接口,实际上都是处于不断睡眠和唤醒的过程当中,这是取决于系统软件的控制。相对于电源管理产品来讲,也会有相应的控制的东西,比如说始能端,这个最主要的目的就是不需要这部分电源,可以把整个电源都关掉,本身连系统电源管理芯片的漏电都没有。如果从整理系统的控制来讲,是跟软件和整体系统流程的控制有关。“这样的选择实际上是基于一个综合条件,需要平衡性能和成本。因为理论上来讲,单独的总是要好于集成在一起的,但是可能也要有一个考虑成本,做出来一些平衡性能。”王剑说。
  

电源市场新势力

Silicon Laboratories在去年也宣布进入电源市场,并展示了首批专门为电源控制应用设计的产品。Si825x架构结合了用于实时回路控制的高速处理硬件,和一个基于Flash的系统管理控制器,使其能为大多数隔离和非隔离的开关式电源拓朴提供数字电源控制和电源管理,而占用空间只有典型DSP解决方案的1/10。高带宽控制回路以10 MHz的速度更新,并且包含一个专用的模拟至数字转换器(ADC)、可编程的DSP过滤器引擎、六信道DPWM和可编程的过电流保护(OCP)硬件探测器。系统管理控制器执行故障检测和恢复、控制回路最优化,例如:动态回路补偿和停滞时间调整、PMBus通信和外部设备管理。
系统管理控制器基于具有32K Flash的50 MIPS 8051 CPU,并结合了12位的自排序ADC、SMBus/ PMBus 接口、UART、16位定时器和附加的PWM信道,工作温度范围为40℃~125℃。此外,Silicon Laboratories的Si825x由一种直观的工具组支持,这种工具组沿用用户的现有模拟设计方法,使数字控制设计学习曲线最小化。该工具组包含一个实时固件核心(C语言源代码)、回路补偿和定时模拟器/设计器工具、系统控制器、配置向导和Silicon Laboratories的集成开发环境(IDE)。Si825x开发套件也包括一个USB调试适配器和基于完整半桥Si825x的DC/DC转换器。该套件还完整地具有PMBus接口协议和外部主机接口硬件。Si825x 采用28管脚5mm×5mm四角无引线(QFN)封装或32管脚低剖面四角扁平封装(LQFP)。

那么,在可预见的未来,是否有其它的能源替代方案呢?美国国家半导体亚太区电源管理产品市场总监黄汉基说,世界各地,尤其是中国,越来越重视太阳能及风力能源的开发。特别在太阳能电池制造商──无锡尚德太阳能电力有限公司,去年成功在美国Nasdaq挂牌上市后,该公司的冒升对另类能源开发行业有很大的鼓舞作用。目前很多公司进军这个市场,并陆续推出各种利用太阳能的电源供应器。但市场至今仍然没有专为这类应用而开发的电源管理解决方案或结构。美国国家半导体目前正构思利用其高压产品系列(如:LM503x、LM510x及LM5080),开发先进的参考设计,以满足这方面的需要。

而飞兆的郭裕亮则归根究底地表示,其实不论是燃料电池或太阳能系统,都需要逆变器来把DC转换为AC,这类逆变器在在线式UPS上基本是相同的;因此,DC/AC(逆变器)才是重点。一个好的逆变器应具备以下特性:1.提供谐波THD小于5%的O/P电压;2.不随负载与其PF以及电池电压而变化的稳定电压(稳态精度2%~3%);3.频率稳定(波动小于1%);4.瞬态电压保持在负载所需的限值内;5.拥有故障保护机制;6.高度安全性。作为以电源管理起家的专业供应商,飞兆备有多种功率产品模块以供系统设计人员选择,以实现上述功能。


结语

综合以上论点,不难发现自从业界对“节能”议题达成共识后,今时今日的电源管理,已走向更为“精致化”的阶段,早已不再是0或1、yes或no的简单开关逻辑问题。除了控制主芯片,动态监侧、负载管理等细部支点更是众所关心的部分。从这个角度来看,一些专精化发展的电源供应商及模拟产品广泛的超级大厂,无疑较有发挥之处;前者以独到技术见长,后者以全面性的战略取胜,TI就是一例。它拥有完整的产品系列,所有细化功能和信号处理链上都有相应的产品;在不同的产品之间会有相应的配合,可以给客户提供最完整、尽可能最优化的系统架构。因此,整个研发能力和客户群分布也是比较平衡的,目前客户群大概有5万家,约有15,000多种产品,且每年例行会推出300~500种新产品(不包括客户定制的产品)。

再者,就是与数字化世界的“天下一家”之势。从前面几篇探讨便携式电源设计的专文里,我们似乎嗅到了“数字电源”的方兴未艾。这种专家口中所谓的“在线改变控制环补偿参数能力佳、更适应宽范围负载变化的应用、对电路版设计要求不高、可提供比模拟更稳定的解决方案、提高成品良率……“等好处多多的可选方案,日后一旦在成本效益的掣肘关键上有所突破,或许可能一朝改变市场份额的消长之势。这种“数模共治”的绝妙搭配还不仅于此,有人既于早先提出以电力线接入网络的构思,自然就有人想到用以太网线供电(即所谓的PoE,Power over Ethernet)。事实上,PoE的应用也已达到了某个成熟的境界,本期因碍于篇幅,未能将相关另类应用多做介绍,往后有机会,我们也将为读者呈现这方面的信息,敬请留意。
(责任编辑:admin)
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