6月號特輯產業篇:節能當道 電源管理晶片商機遍地

本文作者:admin       點擊: 2006-06-20 00:00
前言:
電源管理方案朝高價值、高整合功率產品方向發展


任何電子產品的設計其實都不脫一個“VIP”的基本格局──即“電壓(V)、電流(I)和功率(Power)”,足見電源技術的獨特地位。一般而言,電流越大則功耗越高,有時更會使輸出增大好幾倍(V+I)!複雜的“開關模式”拓璞,最初的體積如同一塊磚的大小,顯得極為笨拙;但隨著技術的不斷發展,體積逐漸變成“半塊磚”、“1/4塊磚”……現在,部分低功耗版本的尺寸已可微縮至一顆小晶片。

由於電路對電源變化的“穩健性”和“容限度”各不相同,致使吸收衝擊的能力往往也較弱;此時穩壓器便如同連接泥濘鄉村土路與光滑高速公路的橋梁,發揮消除電源漣波的關鍵作用,使電路不致損壞。而電源電壓監控器(SVS),也稱為“重設電路”,基本上可把它們比作監視電源電壓的哨兵,當發現電壓低於臨界值時,便會舉旗報警;與處理器配合使用,當電源中斷和電池耗盡時,可保證系統能夠保存資料並安全關機。部分SVS具有更多的功能,例如:後備電源開關、故障早期報警等。“看門狗”也是這種應用之一,用以連接CPU/DSP/MCU,以監看是否進入鎖相迴路。

同樣是電源設計,可能也有著不同的主、客觀狀態(例如:電壓值的轉化、電源的隔離等);為維持整個電源系統的穩定性,需要諸多不同的子應用來加以管理,穩壓、監控和分配,是電源管理的幾項核心功能。隨著對系統的要求越來越高,對電源的要求更是越趨嚴苛,新的電源設計創新也成了迫在眉睫的首要課題。對此,電源管理業界的專家們,又有著怎樣的體悟與看法呢?

AC/DC轉換:1W倡議呼聲日益高漲
電流有AC交流和DC直流兩種形式,將存在於牆上插座及電線的交流電,轉換成電池或電子電路所需的直流電,即為AC/DC轉換,亦稱為“離線轉換”(offline switch)。符合環保要求的AC轉DC電源管理技術,是攜帶型電子產品所不能缺少的技術。

基於節能考慮,我們常會希望電子系統在不作用時,盡可能關閉系統中的部分電路,像筆記型電腦中的硬碟或螢幕。蟬聯多年電源管理晶片龍頭寶座的美國國家半導體(以下簡稱NS),其亞太區電源管理產品市場總監黃漢基表示,將待機靜電流降到1W、甚至是0.5W以下,是電子產品廠商極其重視的目標。新產品必須加設環保模式,已是業界普遍認同的理念;系統整合商必須採用設有跳越模式的AC轉DC電源管理技術,為此,NS特地推出一款型號為LM5021的晶片,可將待機模式的電源供應降低至0.3W,以滿足低功率操作的要求。
 
照片人物:美國國家半導體亞太區電源管理產品市場總監黃漢基

鑒於國際能源署(IEA)將待機功耗降至1W以下的“1W倡議”要求,快捷半導體推出在待機模式下(265Vac輸入時小於0.1W)採用間隙模式工作的新型功率開關(FPS)來因應。這類高整合度離線功率開關整合了一個用於電流檢測的完全額定崩潰值SenseFET (LDMOS)(最小額定擊穿電壓為650V或700V),以及一個電壓模式PWM IC,並配有內置啓動開關,無需外部啓動電阻器。快捷半導體公司亞太區總裁兼董事總經理郭裕亮表示,由於LCD電視等現代電器的體型極薄,電源系統必須體積小而且效率高,在正常運行狀態下效率必須達85%,待機功耗也需滿足“能源之星”少於1W的要求。

為了滿足正常運行時的高效率和低待機功耗的要求,快捷半導體採取的策略是將整個系統分成兩個子系統:一個是支援正常運行的主電源子系統,另一個是支援待機的輔助電源子系統。在待機模式下,快捷半導體採用SMPS功率開關FSDM311構建待機電源向電器的邏輯模組供電。FSDM311採用內置高壓啓動開關技術和先進的間隙模式運作來降低開關損耗,因此功耗極低。
 
照片人物:快捷半導體公司亞太區總裁兼董事總經理郭裕亮

◎動態檢測與負載管理  追蹤電流電壓亦步亦趨

隨著攜帶型電腦和手機的普及,新的電池技術也得到了相應的發展,對單顆電池的續航能力也提出了更高的要求。於是,簡易的低電池電量檢測、安全的充放電、溫度控制,以及監測並顯示剩餘電量等功能,便成了基本的需求。Li-Ion、NiCd、NiMH、Lead-Acid等不同電池技術皆具有不同的特性,如果充放電方法不當,AC/DC轉換有瑕疪,可能會引起爆炸。

快捷的郭裕亮指出,鋰離子電池充電需要恒定的電壓電流控制,因此充電器電路必需具有3種基本功能,即:用於恒定電壓控制的電壓檢測、用於恒定電流控制的峰值充電(負載)電流檢測,以及有關充電狀態的充電電流監控功能。此外,往往還需要能夠確保外部微控制器處於正確電壓級的能力。

對系統設計人員而言,要獲得更好的終端單元性能及延長攜帶型設備電池壽命,攜帶型設備中功率管理之負載管理部分變得越來越重要。對於一些關鍵的電源管理重點,美國國家半導體也備有相應的產品:

負載點管理:執行這個功能的晶片必須具備高電流、高效率的優點,而且晶片體積必須極為小巧。

充電器:必須具備USB充放電及電池溫度監控功能,而且必須設有CCCV及低壓降穩壓兩種模式。

低壓降穩壓器:這種穩壓器必須具備高PSRR、低壓降、低靜態電流及低輸出電壓等優點,才可滿足攜帶型電子產品的要求。美國國家半導體的LP5900晶片便符合以上的要求。至於工業方面的應用,低壓降穩壓器除了必須具備低靜態電流及低壓降的優點之外,還必須提供較高的電流輸出以及產生較少噪音。
 
圖1:攜帶型產品風行,帶動AC/DC電源產品商機(圖為美國國家半導體LP5900晶片)

除了本身的負載管理,週邊元元件的配合也是不可少的。美國國國家半導體特別為攜帶型電子產品提供一系列稱為功率放大器供電系統(SuPA)的智慧型直流/直流轉換器。CDMA/WCDMA等手機一般都採用線性的功率放大器,這個線性特性令這類手機的耗電量比GSM/GPRS 手機高。SuPA可與功率檢波器(例如美國國家半導體的LMV228低電壓放大器)搭配一起,以便為功率放大器提供動態電壓調節(DVS)功能,因此即使CDMA/WCDMA電話的輸出要求不變,供電系統也可因應情況降低供電量,以節省能源。採用這個配置的攜帶型電子產品也因此可以大幅延長其電池壽命。

◎控制IC效率整合  高壓元件功不可沒
高壓技術的特點是充分利用高壓、類比及邏輯電路等技術,並將之整合為單晶片的解決方案,而“功率密度”則是衡量電源供應器優劣的重要參數。只要提高功率控制晶片的技術整合度,便可減少所需元件數目,從而縮小電源供應器的體積。

NS黃漢基指出,供電系統的開關頻率越高,功率密度也就越高;開關頻率越高,設計電源供應系統的工程師便有更大的空間,可以選用體積較小的無源元元件如電感器及電容器。美國國家半導體的ABCD高壓技術利用MOS功率電晶體,以支援高電流的功率轉換以及類比和數位電路。MOS電晶體可在高頻區操作,以提高電源供應的開關頻率,這樣有助進一步改善開關效率。“輸出電壓的準確性是衡量電源供應系統優劣的另一重要參數”,黃漢基說。美國國家半導體的高壓技術採用準確的薄膜金屬電晶體,而且設有微調功能,因此可以按照個別設計的要求調節參考或輸出電壓。

同樣對高壓MOSFET有著獨到心得的快捷,則以具有低導通阻抗和低柵極電荷卓越性能的SuperFET技術問鼎天下。這項先進技術專門設計用於降低傳導損耗,提供出色的開關性能,並能承受極端的電壓瞬態轉換速度(dv/dt)和更高的雪崩能量。因此,SuperFET非常適合於開關模式工作下的各種不同AC/DC功率轉換,以實現系統微型化並提高效率。要連接AC線,除了上述控制IC外,還需要大量高壓元件,例如:具有高反向電壓(600V)、低正向壓降(8A時為1.5V)和超快速恢復能力 (trr<60ns) 的升壓二極體RURP860,以及採用平面條紋DMOS製程製造的、開關速度高、導通阻抗非常低(在VGS=10V下的導通阻抗為0.73W) 的500V N溝道增強型MOSFET開關管FQP9N50。快捷半導體擁有所有這些技術和產品及其相應必需的專業能力,未來更繼續向更高價值產品結構轉型。

PMU電源管理單元正流行
對於消費類電子的廠商來說,如何選擇合適的電源晶片搭配?需視電源系統的複雜程度而定。例如:MP3可能只需一個DC/DC,再加一個1.8V、電流比較小就得以實現,只要2個元件就能做到;但如果是3G手機,就可能需要2路DC/DC、有Charger,還有很多的IDO和背光電源之類,這時候有可能會選擇整合度較高的PMU(Power Management Unit)。

針對不同市場需求,美國國家半導體有不同的電源管理解決方案以為因應。以低端攜帶型電子產品市場為例來說,美國國家半導體的LP3927是一款專攻這個市場的高整合度晶片,其中內置5個線性穩壓器,在成本效益上顯然極具優勢。至於中端攜帶型電子產品市場,美國國家半導體的LP3955內置電池管理單元、開關穩壓器及8個線性穩壓器,不但可以提升效率以延長電池壽命,而且還可提高設計上的靈活性,例如另有供電幹線以支援新加的先進週邊設備。

TI也有PMU這種整合度很高的電源產品,可能整合Charger和兩路DC/DC或者是3路DC/DC,包括升壓、光驅動,也可能有6~11路的IDO。TI的王劍指出,對整個系統來講,包括CPU、Memory和一些相應的介面,實際上都是處於不斷睡眠和喚醒的過程當中,這是取決於系統軟體的控制。相對於電源管理產品來講,也會有相應的控制的東西,比如說始能端,這個最主要的目的就是不需要這部分電源,可以把整個電源都關掉,本身連系統電源管理晶片的漏電都沒有。如果從整理系統的控制來講,是跟軟體和整體系統流程的控制有關。“這樣的選擇實際上是基於一個綜合條件,需要平衡性能和成本。因為理論上來講,單獨的總是要好過整合在一起的,但是可能也要有一個考慮成本,做出來一些平衡性能。”王劍說。

電源市場新勢力
Silicon Laboratories在去年也宣佈進入電源市場,並展示了首批專門為電源控制應用設計的產品。Si825x架構結合了用於即時回路控制的高速處理硬體,和一個基於Flash的系統管理控制器,使其能為大多數隔離和非隔離的開關式電源拓樸提供數位電源控制和電源管理,而佔用空間只有典型DSP解決方案的1/10。高帶寬控制回路以10 MHz的速度更新,並且包含一個專用的類比至數位轉換器(ADC)、可編程的DSP篩檢程式引擎、六通道DPWM和可編程的過電流保護(OCP)硬體探測器。系統管理控制器執行故障檢測和恢復、控制回路最佳化,例如:動態回路補償和停滯時間調整、PMBus通信和外部裝置管理。

系統管理控制器基於具有32K Flash的50 MIPS 8051 CPU,並結合了12位的自排序ADC、SMBus/ PMBus 介面、UART、16位元計時器和附加的PWM通道,工作溫度範圍為–40℃~125℃。此外,Silicon Laboratories的Si825x由一種直觀的工具組支援,這種工具組沿用用戶的現有類比設計方法,使數位控制設計學習曲線最小化。
 
圖4:Silicon Laboratories的數位電源控制產品──Si825x系列

結語
綜觀以上論點,不難發現自從業界對“節能”議題達成共識後,今時今日的電源管理,已走向更為“精致化”的階段,早已不再是0或1、yes或no的簡單開關邏輯問題。除了控制主晶片,動態監側、負載管理等細部支點更是衆所關心的部分。從這個角度來看,一些專精化發展的電源供應商及類比產品廣泛的超級大廠,無疑較有發揮之處;前者以獨到技術見長,後者以包山包海的戰略取勝,TI就是一例。它擁有完整的產品系列,所有細化功能和信號處理鏈上都有相應的產品;在不同的產品之間會有相應的配合,可以給客戶提供最完整、盡可能最優化的系統架構。因此,整個研發能力和客戶群分佈也是比較平衡的,目前客戶群大概有5萬家,約有15,000多種產品,且每年例行會推出300~500種新產品(不包括客戶定制的產品)。

再者,就是與數位化世界的“天下一家”之勢。從前面幾篇探討攜帶型電源設計的專文裏,我們似乎嗅到了“數位電源”的方興未艾。這種專家口中所謂的“在線改變控制環補償參數能力佳、更適應寬範圍負載變化的應用、對電路版設計要求不高、可提供比類比更穩定的解決方案、提高成品良率……“等好處多多的可選方案,日後一旦在成本效益的掣肘關鍵上有所突破,或許可能一朝改變市場佔有率的消長之勢。

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