便携电子产品节能:多样方案推动下的有机增长

上网时间: 2008年12月01日? 作者:王彦? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:便携式产品? 电源管理IC? 节能?

2008年和2009年的电源管理市场仍然值得期待,特别是面向便携产品应用的节能与电源管理。总的来说,2008年最大的增长机会仍然是来自蜂窝电话—预计年底前全球将交付超过13亿部蜂窝电话。此外还有PMP、笔记本PC、DSC、PND和MP3播放器,从而使得便携式电子产品的整体规模接近20亿部。很显然,电源管理IC供应商在这一市场有很多机会。

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Wes Reid:与传统线性稳压器相比,同步降压型开关稳压器具有更佳的转换效率。

“便携和无线应用中节能和电源管理IC及分立器件的市场总值到2009年将会在40亿至55亿美元之间,其中涉及了包括音/视频、显示和背光、无连和保护、电源管理等多个功能单元。”安森美半导体数字及消费产品部策略市场营销及系统工程总监Wes Reid表示,“由于上述功能所服务的市场中便携和无线应用占据了很大比例,因此后者已经成为节能与电源管理市场的重要构成。”

来自电源管理市场的另外一家重要厂商—美国国家半导体亚太区电源产品的市场总监黄汉基也认为,个人便携式电子消费品已经成为驱动电源管理IC市场增长的重要引擎之一。“举例来说,附有全球定位系统/地区性服务(LBS)功能的手机已经推进智能手机市场的快速增长。此外,根据TSR公司的调查,手机电视市场将由2006年的470万台增长到2010年的736万台,增长率达到15倍以上。而这些应用正是对更加高效节能和电源管理方案的消费大户。”

开关稳压器挑大梁,节能续航两手抓

日益小巧的便携式电子产品正在受到消费者的追捧,然而要做到瘦身却并非那么简单。便携式电子产品的新功能带来了电路板上的元器件数的增多,而用来放置元器件的电路板却在不断缩小—电源管理器件供应商所面临的挑战正在于此,OEM希望能在改善运行时间的前提下尽可能地压缩这些器件所占据的空间。

为了应对上述问题,目前普遍的解决方案是采用一个小巧的同步降压型开关稳压器方案来取代线性稳压器。如凌力尔特公司电源产品市场总监Tony Armstrong所言:“与传统线性稳压器相比,同步降压型开关稳压器具有更佳的转换效率,从而为在电池工作时间上的改进提供了更大的空间。除此之外,这些稳压器可以提供达95%的效率,并且几乎消除了对任何散热措施的需求。”

然而今天的便携式电子设备已日渐复杂,几乎每一个类型的产品都需要数个不同的电压轨:包括多个MCU轨和大量特殊功能电压轨。“由于这些电压轨通常由一个锂离子电池来供电,因此对电池提供必需功率的要求大大提高了。”Armstrong表示,“加之电池的外形尺寸仍然保持相对较小,而且功率密度只有适度的提高,这导致不仅是蜂窝电话,几乎在任何便携式手持设备中电池工作时间和良好的热量管理都已经成为巨大的卖点。从而催生了对更加紧凑和高效的多输出同步降压型稳压器的需求。”据称,为顺应这种需求,凌力尔特已经推出了以LTC3544、LTC3545为代表的此类产品。

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黄汉基:个人便携式电子消费品已经成为驱动电源管理IC市场增长的重要引擎之一。

虽然优势不少,但同步降压型开关稳压器也并不是特别完美。美国国家半导体的黄汉基就指出:“即使最小的降压DC-DC稳压器其体积也是线性稳压器的三倍,加之DC-DC转换器还集成了电感以及体积较大的输入/输出电容,从而令成本更加昂贵。”他表示,在这种情况下人们更倾向于采用一种称为后置式稳压的解决方案。“其原理是使用一个DC-DC转换器来生成一个电源轨。该电轨可以用来作为低电压输入线性稳压器的输入。这样就相当于两个电感开关。”据称,与线性稳压方案相比,后置式稳压不仅可节省约40%的电路板空间,还能够减少外部元器件的用量,并带来进一步的成本降低。

不过对于便携式电子终端而言,提高稳压器的效率仅仅是一个方面,如何尽可能的利用电池内部的电量—最好能够延长电池的关闭时间,也相当重要。新型的降压-升压稳压器无疑是解决这一需求的行家能手。“以手机为例,一般手机PA要求的输出电压必须高至3.4V。由于大部分的手机PA都是锂电供电,如果没有使用降压-升压稳压器,就必须在电压为3.5V时关闭手机。”黄汉基表示,“而采用了这种器件后,只需在电池电压为3.0V时关闭手机,中间的运行时间差距有10~20%之多。此外,降压-升压稳压器还可以置于图像处理等数字子系统的电源管理IC之前作为预(前置)稳压,为后者提供一个稳定的输入,从而避免这些子系统因为峰值过高而提前关闭电池的情况发生。”

动/静态并举,多技术节能

随着对于终端电池续航能力的日益关注,有关动态与静态电源管理的讨论也日益普遍。如今,越来越多的先进节能技术正在走入便携式终端,帮助解决静态和动态能耗问题。安森美的Reid介绍了目前能够采用的一些主要技术。

“为了降低静态功耗,目前主要采用的是动态过程温度补偿、电源门控(Power Gating)以及假寐(Doze)、睡眠(Sleep)、休眠(Hibernate)和停止(Stop)等节点模式。”Reid介绍说,“其中,前者的原理是让电路在确保达到所需性能的前提下采用最低电压工作,而电源门控则采用精确控制(Coarse grain)或粗略控制(Fine Grain)来关闭单个门或大群组门中的电流,以此支持特定功能。”

在降低动态功耗方面,先进的时钟分配技术、动态电压与频率调节(DVFS)、自适应电压和频率调节等技术也正在挑起重任。

“时钟门控、全局异步、局部同步(GALS)等将独立功能模块的同步时钟结构互相隔离开来,并采用异步握手(Hand-shaking)结构来管理各个独立功能模块之间接口的各种时钟分配技术能够降低传统“时钟树”的复杂程度以及相关功耗。”Reid表示,“而DVFS从根本上讲则是根据查找表(LUT)来动态的调节频率和电源电压以达到降低功耗的目的。至于自适应电压和频率调节,与DVFS技术类似,关键区别在于DVFS的LUT的设定需要适应不同晶圆的性能变异,因此事实上电路的功率消耗和时钟频率要高于维持它们性能所需要的水平。而自适应电压调节技术能够进行实时反馈,逐渐减小这些参数,直至它们达到可以维持其性能(功率消耗和时钟频率)的绝对最低水平。”

凌力尔特推出的LTC3562就是一个采用电源动态调节的例子。“UMPC中包含了多个必须在开机和关机时恰当加电的低压轨。包括CPU内核电压、I/O和一些存储器电压。此外,CPU内核电压也需要根据所需处理能力的变化而变化,这就要求能够动态调节电压以实现功耗优化。”Armstrong表示,“4通道的LTC3562每个通道都可以通过片上I2C接口独立控制(包括输出电压),从而非常适合于这类应用。”

PMU vs. 单一功能IC,主流与补充

就目前来说,大多数由电池供电的手持式便携产品都使用一个专用的电源管理单元(PMU)来处理电池充电、电源通路控制、提供多个电源电压等需求以及诸如真正输出断接和准确USB电流限制等保护功能。而且在大多数时候,特别是针对手机一类的应用,其PMU往往都是在基带供应商与OEM的共同参与和配合下进行设计的—不难看出,PMU的优势正在于它的“刚好够用”的原则,这对降低成本非常有利,加之集成度的提高本身也能减少支出,这令其在便携式领域大行其道。

PMU的优势在于标准化和集成,不过某些情况下这种优势反倒成了它的软肋。Armstrong就指出:“首先,PMU采用特定的半导体工艺制造,要最大限度地提高其中每一种的性能都不容易。其次,定义和开发这样的一款ASIC可能需要两年或更长的时间,在对设计周期和上市时间要求越来越高的今天,等到芯片完成,也许设计需求已经改变三次以上了。”而Reid也表示,由于经常会有这样那样的系统要求无法在先进CMOS工艺的PMU中得到满足,或者在手机设计的后期忽然需要进行性能变更,PMU可能就不够用了。“这为并不设计PMU的其他IC供应商提供了机会。”他说。

Reid所指的其他IC就是那些更新的仅能实现单一功能的IC。不过正如他所言,除了能够提供设计所需的灵活性之外,此类IC的性能通常也要比集成的PMU中所对应的功能好得多。“因为它们为某个功能进行了专门的优化,并采用了更加成熟的工艺。”此外,如果在架构设计初期就做出正确的决策,采用这些特定的器件还能够影响PMU的开发,比如采用更加简单或更具价格竞争力的工艺,以及在制造时采用更少的掩膜层来降低成本。最后,这些器件往往采用更加成熟的工艺来开发,它们往往具有更低的漏电流,而这则意味着更低的静态功耗。

显示屏节能成热点,ESD保护有的放矢

为了尽可能地实现更低的电能消耗,各家半导体公司都在使出浑身解数,不遗余力地推进新技术与新产品的开发。而随着显示屏尺寸越来越大以及更多人机交互功能的出现,显示屏节能受到了越来越多的重视。无论是美国国家半导体,还是凌力尔特,都着重介绍了其在这方面的新方案。此外,面向敏感性便携产品市场,安森美也有的放矢地推出了相应的ESD保护器件。

国家半导体新推的PowerWise的移动像素链路(MPL)就是这家公司在节能方面的新突破。黄汉基称,该技术采用低功率的接口电路不仅能够将大量数据流传送到显示器,还可大幅延长电池寿命。黄汉基就介绍了型号为FPD95120的一款器件,据悉该器件内置MPL解串器、高效电感DC-DC开关稳压器以及RAM,可通过减少显示器的待机功耗来实现节能和延长电池寿命。

国家半导体目前还在推广一种全新的RGB LED背光驱动方案—LP5520。与传统的白光LED相比,RGB LED做为背光源能显著的提升LCD的显示颜色饱和度, 改善显示效果。LP5520驱动芯片很好地解决了RGB LED背光设计中的白平衡问题和温度补偿问题,客户可以非常容易地实现RGB LED背光的设计。”

来自凌力尔特的Armstrong也强调指出,随着便携产品的屏幕越来越大,系统制造商要特别注意TFT-LCD、OLED显示屏的供电需要。“就TFT-LCD显示屏的供电而言,一个DC-DC转换器需要能够以正确的加电和断电排序提供3个独立的输出电压:AVDD、VON和VOFF。”他表示,凌力尔特已经充分认识到这一点,并专门开发了专用的单片DC-DC转换器。

“LT3513是我们在这方面推出的最新产品,它拥有5个独立控制的稳压器,可以为TFT-LCD显示屏提供所需要的所有电源轨。”他说。

安森美正在加强其面向功率敏感型的便携产品市场ESD保护方面的市场地位。Reid重点介绍了该公司最近推出的三款新品,型号分别为NUP4016、ESD11L5.0D以及NCP58?0。

据介绍,采用1.0×1.0×0.4mm SOT-953封装的NUP4016是目前业界最小的ESD保护阵列,可保护4条高速数据线路,支持USB2.0和HDMI等全带宽高速接口,此外,其每条I/O线路的电容也只有0.5皮法(pF)。而号称“市场上最薄的高速通信、USB 2.0数据和电源线路和保护用ESD器件”ESD11L5.0D则采用超小型1.0×0.6×0.37mm SOT-1123封装,同样以0.5pF的超低电容保护两条高速数据线路。此外,ESD11L5.0D也能够连接阴极至阴极,以0.25pF电容保护单条双向线路,这令它非常适合于保护高频射频(RF)天线线路。至于NCP58?0则主要是面向LCD背光和装饰光应用,可串联驱动达8个发光二极管(LED),能够通过I2C接口来进行环境光感测和渐进调光。


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