至精至微:面向便携式应用的电源管理趋势

上网时间: 2004年12月01日? 作者:郑卫锋? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:电源管理? 便携式应用?

面向便携式应用的电源管理正成为半导体领域夺目的亮点。据市场调研公司CIR发表的市场报告指出,未来几年内基于便携式应用的电源器件市场前景非常乐观,2004年销售收入有望达到43亿美元,并将在2008年大幅上升至72亿美元。

便携式设备中与日俱增的新功能,将对电源管理形成大量新的需求。与此同时,便携式设备制造商正面临越来越大的压力,他们必须把这些功能集成进不断缩小的体积内,同时又要让它维持较长的工作时间。

例如,随着3G的到来,手机不仅要浏览网页、发送电子邮件、拍摄数码照片,甚至要能播放视频流,这些都给电源管理带来巨大挑战。同时,随着处理器速度的加快,整个电源管理方案和各个子系统必须跟上这一变化,提供配套的电源支持。此外,新型电池技术、尤其是微型燃料电池技术的商用化即将开始,也迫使电源芯片厂商重新思考未来的电源系统设计。

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图1:便携式电源管理芯片技术发展蓝图。

与之相应地,这些新的变化趋势也为电源芯片厂商创造了巨大商机,促使他们绞尽脑汁开发更先进的、各具特色和尺寸越来越小的电源管理解决方案,以支持日益复杂的系统电源要求和新功能。为了全面深入地了解当今便携式应用领域的最新电源管理趋向,本文特邀领先半导体公司德州仪器(TI)、飞兆(Fairchild)、凌特(Linear)、安森美、国半(NS)、微芯科技(Microchip)和立锜科技分享他们的见解与智慧。

电源管理器件在封装、效率和成本之间取平衡

在终端设备的小体积趋势下,系统工程师所需的电源器件必须能延长电池寿命和缩小线路板面积。供应商在设计这类器件时,就需要在效率、封装尺寸和成本之间反复权衡。飞兆半导体的亚太区总裁郭裕亮表示:“小尺寸封装的散热能力不及大尺寸封装产品,迫使我们提高器件的电源转换效率。”

Microchip的模拟与接口产品部资深销售经理George Paparrizos指出,系统设计的功耗取决于输入/输出电压之间的差异和所要求的负载电流。“由于新型数字元件需要更大的电流,降低能耗的两种主要方式只能为采用略高于输入电压的输出电压,或者采取智能的系统控制。”他说,对电源的更高要求,刺激了能节省空间、并具有更高散热性能的新型封装技术的发展,也使无引脚封装(DFN和QFN)大行其道。

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图2:飞兆半导体的亚太区总裁郭裕亮:必须继续提高电源转换效率。

便携式应用中电压转换的数量也在不断增多,因此人们认为有必要对电源转换采用同样的高密度封装。TI便携式电源管理全球业务市场经理Patrick Heyer说:“改进后的封装技术将继续致力于缩小占位面积、接近内部硅片的尺寸、提供良好的导热性、降低成本和符合标准客户处理要求。多芯片封装技术将允许提供更加全面的功能,同时将外部元件数量减到最少。”

他还指出,焊线(Bond wires)将继续让位于焊料突起或其它创新性技术,这些技术允许电源芯片能够承受大电流、高发热和高频信号。创新性的电路设计,将为采用性能得到改进的特点创造条件,这些特点包括软开关、优化的门驱动、更高的精度、较高的开关频率和更好的控制算法。

当今大多数便携式设备中都存在多种充电电源,为了在空间狭小的电路板上实现最佳效率,针对电池的功率管理设计变得日益复杂。Linear公司电源业务部产品市场经理Tony Armstrong说:“只需研究一下诸如数码相机、MP3播放机、GPS接收机和PDA等产品即可一目了然。此类产品大多可由AC适配器、USB接口或锂离子电池来供电。这些电源之间的功率通路控制是一项重大挑战。”

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图3:Linear公司电源业务部产品市场经理Tony Armstrong:电源之间的功率通路控制是一项重大挑战。

他继续说,工程师一直在尝试采用分立组件来实现上述功能,但面临很大困难,比如热插拔以及会引发严重系统问题的浪涌电流等。目前大多数电池供电型便携式产品都采用专用电源芯片,来实现电池充电、功率通路控制、提供多个电源电压以及诸如真正的输出断接和精确的USB限流等保护功能。采取这种方法的原因很清楚,即只需单个器件便可满足其全部的电源管理要求。不过这样做也有缺陷,专用电源芯片的先天不足导致其很难针对所有上述功能来实现其性能的最大化,并使得从产品设计到投产的时间变得很长。

对于未来电源管理领域的发展趋势,国半公司亚太区便携式设备电源管理产品市场经理罗振辉指出,未来电源管理系统不应只着眼于开关稳压器的转换效率,应同时仔细考虑电源管理芯片是否有稳定的批量供货以及封装是否小巧,而且即使封装极为小巧,芯片的功耗、精确度及噪音水平也不应受到丝毫的影响。

显示屏成为节能设计重点攻关领域

最近的趋势显示,彩屏正迅速成为多数新款手机、PDA和数码相机的标准配置。彩屏、游戏、互联网浏览和短信等特点所要求的显示屏使用时间越来越长,如何有效支持这方面的需求成为各电源管理器件厂商的重点“照顾”对象。安森美半导体模拟便携和消费产品应用部门总监Bernie Weir说:“2003年手机的换机数量首次超过了整个手机销售总量的50%,这些第二代、第三代手机用户有丰富的手机使用体验,希望手机成为带LCD彩屏的多媒体语音通讯工具。如何能有效支持手机彩屏显示、上网浏览、游戏和发送短信等功能,以增长背光LED所使用的时间,是设计者优先考虑的重点之一,对每一微瓦的电能都要精打细算。”

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图4:国半公司亚太区便携式设备电源管理产品市场经理罗振辉:芯片的功耗、精度与效率同等重要。

显示屏的清晰度越来越高,画面色彩更要比以前璀璨亮丽,这使显示屏的功耗不断增加,如何节能已成为便携式设备设计工程师需要面对的一个重大问题。为节能所做的改善几乎涉及显示系统的每一个角落。NS公司亚太区显示器产品市场业务经理陈永信介绍了一种全新技术——移动像素链路(MPL),它是基带处理器与显示屏/相机之间的一个接口,可将有关芯片连接一起,减少铰接位的线路,从而减少这些线路上的能量损耗和随之而来的电磁干扰。

此外,为显示屏提供背光的发光体是系统之中耗电量最大的电路,其耗电量是显示屏所获供电的十倍以上。飞兆半导体的技术市务工程师Enrique Rodriguez说,“在LCD显示器的各种背光方案中,LED方法由于减少了外部元件数如变换器等,因而可大幅减少功耗。此外,多种LED驱动方案都采用脉冲宽度调制(PWM)来降低LED的平均电流,从而减小了驱动电路所需的功率。”

目前,厂商们正在开发更先进的LED电荷泵产品,以提高背光功率。“市场要求现在的LED电荷泵器件必须为主屏、次屏显示器以及至少一个RGB显示提供背光电源。”Linear的Armstrong说。他注意到产品设计要求不断扩展的特点,“电流精度和亮度匹配问题是非常复杂的,虽然工程师对于10%的电流精度尚能接受,但他们绝对容忍不了匹配精度高于5%。”

另一个可以进一步节省用电的地方是相机的预览系统。根据目前的设计,即使在预览阶段,所有影像数据都必须先传送往控制器,然后才传回显示器。这样来回传送数据完全没有必要,徒然浪费能源,因为影像数据在预览后会全部被删掉。NS全新推出的LCD驱动器可以支持较宽的视频带宽,而且内置2D定标器,使相机可以在执行预览功能时直接与显示模块建立联系,以便传送数据。这个设计确保相机在执行预览功能时,基带处理器及铰接位可以完全处于闲置状态,有助于进一步节省能量。

开关器件与消除电磁干扰的双赢局面

在许多便携应用中,开关调节器正在取代线性调节器,以延长电池的工作时间,但噪声和电磁干扰(EMI)问题也随之而至。然而,许多便携式设备都具有无线电电路和射频接收器,它们对噪声都十分敏感。因此作为噪音发生器的开关电源,势必对这些敏感电路形成潜在的干扰。最常用的解决办法有两个:一为改善电路设计,二是加设屏蔽。传统的解决办法是使噪声发生电路远离对噪声敏感的电路。然而,在当今的便携式产品(例如智能手机)中,由于系统内部布局非常紧密,这种做法已不再可行;而加设屏蔽的方案则会因为成本和尺寸方面的限制,变得不切实际。

飞兆的Rodriguez说:“目前的趋势是利用扩频技术来减少EMI信号的功率成分。在稳压器中使用不同的频率可以降低功率成分,从而减少EMI量。”该公司的FAN5602便属于这样的产品,它是通用的开关电容DC/DC转换器,能调整导通电阻值,以便控制从输入转换到飞速电容的电荷量。这种调制可以将器件的电流峰值减到最小,最终并降低EMI。国半的罗振辉认为,开关电容稳压器的效率在不断提高,其实际效率与磁力开关稳压器相差不大,这是解决电磁干扰的一个可行方案。

Linear的Armstrong也表示,一种切实可行的降噪技术是使DC/DC转换器的系统时钟产生高频抖动。这种方法加上扩频操作,能够利用一个伪随机数(PRN)序列对开关频率进行调制,以消除窄带谐波。据他介绍,该公司的LTC3251便是实现了片上扩频的一款芯片实例。LTC3251是一款500mA、高效、低噪声、无电感器型降压DC/DC转换器,其扩频振荡器是专为生成一个在逐个周期之间具有随机时间间隔(但固定于1MHz和1.6MHz之间)的时钟脉冲而设计的。这样做的好处是可以把开关噪声散布于众多的频率之上。

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图5:Microchip的安全、微控制器与技术部产品销售经理Fanie Duvenhage:MCU将在闪光灯解决方案中发挥作用。

电源控制与充电器功能的融合趋势

在便携式应用领域,多种器件整合已是必然。正如台湾电源管理芯片厂商立锜科技指出:“未来基于空间小以及高效率的需求,整合势在必行。”多输入、多功能器件正开始将充电、监控及管理功能集于一身。电源控制器和电源管理芯片(传统上是相互关联但又相互独立)正与许多集成芯片中的充电器功能相融合。国半的罗振辉表示:“我们早已洞悉这一市场发展趋势,例如市场上的应用处理器不但都预载了所需的软件,而且也渐渐将更多其它硬件如人机接口、机器接口内置于处理器中。”据他介绍,该公司一直与应用处理器厂商密切合作,致力为市场提供一个高度集成的解决方案,以满足各种不同的负载要求。

飞兆的Rodriguez也指出,目前的设计社群有一个最新趋势,是将这些功率管理单元引进于应用处理器中,以便将来进一步进行功率优化。他说:“要实现这个目标必须克服多项挑战,包括制定积极的开发计划,以及解决成本和功率增加带来的热特性问题。”

“我们目前提供全面集成的具有电池管理能力、多输入、多功能的电源管理器件。”TI的Heyer说,“此外,尺寸较大的电源管理芯片能够有效满足关键的系统电源需求,市场商机和和设计数量都在增加。例如具有10个或更多电源通道的器件通常用于专用设计,如智能电话或数码相机。但亚洲市场对于尺寸较小的1到3通道器件的需求量较大,如具有线性调节器的集成DC/DC开关调节器。我们认为未来这种需求将继续存在,因为这些器件避免了过度集成,适合于不同类型的应用。”

便携式产品需要更高级的电源管理和电池管理,以便将功耗降至最低,并寻找能计算剩余可用能量、或者系统何时可以再度投入运行的方法,来优化系统性能、延长运行时间。为了获得最佳的性价比,新型电池管理芯片器件在一个单芯片封装中集成了所有的电池管理功能。Microchip的电池管理产品部副总裁Jim Vernon表示:“由于充电控制、电量监测和安全等功能对于测量温度、电压和电流有共同的需求,单芯片方案消除了系统中的重复功能。这种单芯片解决方案可以提供更多的好处,因为每种功能都是独立的,可以在系统级实现电池管理,而不是在单个元件上实现。”

另外,还有一种趋势是利用USB对便携式设备的电池充电,便携式设备中常用的锂离子电池便采用了这种技术。飞兆的Rodriguez指出:“USB 2.0规范规定了两种完全不同的功率分类(高和低),电压标称值是5V,而浪涌电流容许值则为500mA。这种能在USB的数据功能外集成电池充电功能的能力,能够在器件中延长电池寿命。”

Linear近期推出了一款LTC3455,可在满足USB电源标准的情况下对AC适配器、USB电缆和锂离子电池之间的功率流动进行无缝管理。该器件集成了一个全功能锂离子电池充电器和两个高效同步降压型转换器,前者可提供高达800mA充电电流,后者用于生成大多数USB外设所需的低电压轨。LTC3455还提供了用于微处理器的上电复位信号、用于向存储卡供电的热插拔输出、以及适合用作低电池电量比较器或LDO控制器的备用增益部件。

手机闪光灯带来新的需求

照相等功能在手机中的出现和不断深入,对电源管理提出了更严峻的挑战,因为这些新增功能基本上都属于“能量饥渴型”应用。例如,消费者希望照相手机能拍摄更高分辨率的图片,并能在室内或昏暗环境光条件下进行拍摄。这些需求迫使手机设计师开始考虑在手机中配置闪光功能,而白光LED成为闪光灯的首选光源。

对手机设计工程师而言,白光LED拥有他们所需要的各种特性:小外形尺寸、高亮度输出以及提供闪光和连续视频照明的能力,LED供应商已开发出专门用于手机闪光灯的高输出功率LED。然而,这些高亮度的LED虽然很适合于照明用途,但它们也是电池的耗电大户。

“虽然用高功率LED来形成可见光这种基本任务很简单,但如果不对现有设计加以改进,就难以构建高性能的电源和电流控制方案。”Linear的Armstrong表示。据他介绍,Linear的LTC3453是一款专为优化效率、准确度和LED电流控制而设计的产品实例,适合高电流照相机闪光灯应用。该产品采用同步降压-升压型电源架构和可编程低压降电流源,用以调节LED电流。

该器件可根据VIN和LED正向电压在同步降压、同步升压和四开关降压-升压模式之间自动变换。每个电流源都有其自己独立的控制环路,并能在非常低的LEDx引脚电压条件下调节电流,旨在最大限度地降低功耗。凭借同步降压-升压拓扑结构,“手电筒”模式的效率可达90% 以上,与标准的升压解决方案相比提升幅度达20~30%。

飞兆公司则推出了高效LED闪光灯驱动器FMS2000和FMS2004。据称,这些器件可对闪光亮度/持续时间、减小红眼、电影模式、白平衡以及电池电压补偿等功能进行可编程控制。

除此以外,Microchip的安全、微控制器与技术部产品销售经理Fanie Duvenhage还表示,微控制器也将在闪光灯解决方案中发挥重要作用。他说:“人们希望闪光灯能够适应不同的亮度水平、以不同的次序进行闪光、并显示不同的颜色。这不能通过单机功率转换芯片实现,而是需要额外的可编程微控制器。但是,许多设计人员不想在微控制器以外再为一个功率转换器件掏钱,所以功率转换功能经常被纳入微控制器之中。”

作者:郑卫锋


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