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例如,为了改善功率因数,减少电网中的谐波污染,国际电工委员会(IEC)出台了61000-3-2标准。
而在提高电源工作效率和降低待机能耗方面的规范标准更多。
以外置电源为例,美国“能源之星”(ENERGYSTAR)和中国中标认证中心(CSC)电源适配器节能认证项目、美国加州能源委员会(CEC)以及欧盟等都对不同额定输出功率的外置电源(电源适配器)作出了规定,如对于打印机和笔记本电脑等所适用的功率大于49W(CEC规定为大于51W)的适配器,要求的最低工作效率大部分都是85%,欧盟为84%;
而在待机模式下,都要求在0.5W甚至是0.3W以下。
而“能源之星”针对计算机电源的要求也在不断升级。
“能源之星”4.0版规范自2007年7月20日开始生效,要求台式机在待机和休眠模式下的功耗分别不超过2.0W和4.0W,且对空闲状态下的功耗也作出了规定;
而在20%、50%和100%负载条件下的效率要求最低达80%。
此外,更新的5.0版规范第一阶段要求将于2009年7月1日开始生效,将要求使用内置电源的计算机在50%负载条件下的工作效率最低达85%,而在20%和100%负载条件下最低效率达到82%。
与此同时,业界还涌现出了新的节能要求,如吸引了诸多知名计算机厂商参与的计算产业气候拯救行动(CSCI)的要求,如表1所示。
不同的规范之间也在相互影响,有着趋同的趋势。
如“能源之星”针对计算机的5.0版规范与CSCI便呈现出一定程度的吻合。
在该方面,安森美半导体公司率先推出了符合“能源之星”4.0版规范要求的300WGreenPointATX电源参考设计。
该参考设计主要包含采用连续导电模式(CCM)的PFC控制器NCP1653、用作主开关电源控制器的有源钳位PWM电压模式控制器NCP1562、用作待机稳压器的NCP1027、同步后稳压器NCP4330和8A、600V功率整流器MSR860。
这个参考设计在100%负载时实现了86.5%的工作效率,在20%轻载条件下也能达到82.5%,并符合IEC61000-3-2功率因数要求。
数字家庭设备紧跟节能脚步
目前,除了便携式消费电子产品之外,数字家庭也是市场关注的焦点。
特别是新兴的无线局域网和有线高速数字接口技术的成熟,如802.11n、蓝牙与UWB的融合,以及HDMI、displayport等数字接口的兴起,使得数字家庭概念包含的内容越来越多,同时也能给人们的生活带来更多的便利和乐趣。
由此也衍生出了FemtoCell、FMC等概念和组网方式。
要实现以上这些应用,电源系统仍然是其中的重要部分。
同时,随着系统处理能力的增加、网络带宽的拓展,无疑将对电源器件和系统提出更多、更高的要求。
对于家庭中普遍使用的电视机而言,中国中标认证中心、韩国“EnergySaving”、欧盟生态标签(EuEco-Lable)等标准对待机能耗的要求为3W,而欧洲高能效电器组织(GEEA)、美国1W总统待机令以及“能源之星”等要求为1W甚至低至0.5W。
越来越多的家电产品将会内置数字信号处理器、SoC及其他数字电路。
相应地,低输出电压、高电流的电源管理电路将会继续有强劲的市场需求。
由于这类消费电子产品的电源系统必须能为内置的多种不同数字电路供电,因此,就必须具备时钟同步、顺序供电及电压追踪等功能。
FemtoCell、FMC等对耗电量都有不同的规定。
从而要求电源管理芯片采用更先进的技术,以实现多输出和高集成度,在谈到该方面的电源需求时,美国国家半导体公司亚太区电源管理产品市场营销经理吴志民表示:
“以LM26480芯片为例来说,这款4通道的电源管理单元内含两个1.5A的降压稳压器及两个300mA的低压降稳压器,而且每一个通道都有独立的输入路径,因此,电源设计师可以很方便地为系统添加能支持顺序供电的启动功能。
”
由于FemtoCell是一种较新的组网方式,其中采用的技术仍有很大的发展空间。
在早期设计阶段,大部分内核芯片组的供电都由独立的DC/DC转换器或LDO负责提供。
目前,对于电源芯片厂商来说,都在密切留意其内核芯片组的发展趋势,而且要应市场需要,迅速开发出多功能的电源管理解决方案。
高效率与统一规范助USB充电拓展手机市场
在手机/PDA方面,越来越多地采用USB接口进行充电,实现通过USB接口的高效率充电也已经成为相关芯片需要解决的问题。
此外,面对该市场的快速发展,统一USB充电接口标准也已经提上议事日程,例如,中国于2007年开始制定相关的接口标准,以统一并规范其应用。
根据USB2.0规范,当一台便携式设备接到USB主机或Hub上时,最大供电电流为500mA。
一般通过USB接口送到充电芯片的功率为2.5W,那么如何高效地利用这2.5W功率,更快速地给手机充电呢?
除了线性充电方案以外,目前出现了采用开关模式的充电芯片,它可进一步提高充电效率,缩短充电时间。
而且具有更佳的热性能。
以TI公司的bq24150USB充电芯片为例,它就是采用开关模式,可充分利用500mA的充电电流,达到175mA±
5%,缩短了10%-15%的充电时间。
USB充电器接口标准的统一也将在提高使用效率、方便消费者方面发挥重要的作用。
2007年9月,开放移动终端平台(OMTP)论坛
宣布,其成员已同意将micro-USB整合为未来通用的数据与充电接口。
所有手机(或其它便携式设备)使用单一的融合USB端口实现USB通信和充电。
在满足统一接口规范方面,NXP公司则根据OMTP论坛和中国政府的相关规定,推出了USB电池充电器检测方案,即ISPl704和ISPl601,该组合能够在为手机充电时检测并识别出专用USB充电器、USB主机充电器和USB主机。
这符合中国最近出台的有关手机销售的规定,以及USB设计者论坛(USBImplementersForum,USB-IF)的电池充电规范Rev.1.0。
这一技术可以实现更快速的充电并延长电池寿命,它使系统能根据可用的USB连接类型,确定它能够导入的充电电流大小,从而对电池进行智能充电。
现在,USB-IF的新规范允许设备导入超过USB2.0规范的电流,并提倡便携式设备能够识别三类充电器,即强电流外置式充电器(最高1.8A)、USB主机或Hub充电器(最高1.5A),以及标准的USB主机或Hub充电器(最高500mA)。
效率和体积的权衡――便携式设备中电源管理的新挑战
在便携式设备的电源管理解决方案中,效率和体积始终是两个关键的指标。
然而,根据经验总结,手持设备设计师或终端客户很少同时考虑这两个问题。
我们常听到这样的说法,“这个电源解决方案达到了95%的效率”。
然而,电源设计师又有多少次真正考虑过“95%的效率”意味着什么呢?
首先让我们讨论一下电源功率的重要性。
确定功率调节的优先顺序
理想情况下,手持设备设计师希望在每个应用中都采用效率最高的解决方案。
然而,更有效的功率调节通常意味着更大体积、更多物料和更高的成本。
然而,手持设备的大趋势则是更低的成本和更小体积,因此,设计师需要对多种因素区分主次先后。
首先需要确定手持式设备中最需要功率支持的部分。
例如,对于最多消耗20mW功率的1.8VFlash存储器来说,最好采用转换开关来供电。
然而,效率为90%的转换开关相对于效率为50%的LDO应用而言,在电池寿命上的提升是微不足道的。
可是,一个功率为2W的显示器背光低效解决方案肯定会损害便携式设备的运行时间。
因此,第一步应该找到手持设备中的“要害”,以实现高效的功率调节。
作为电源解决方案的供应商,我们很愿意帮助客户解决他们最为棘手的问题。
提供功率调节也仅仅是第一步,接下来的问题是尽可能延长电池的使用时间。
将能量损耗最小化
能量被定义为电源和时间的产物。
所以,就手持设备而言,最重要是确保系统在电池寿命约束下仍可以维持最长的运行时间,并且保持最低功耗。
例如,手机中的基带处理器从不会关闭,但是在待机操作中却要占用90%以上的时间。
因此,要最大化延长手机的运行时间,选择一个具有极低漏电流(数十μA)的功率芯片就显得非常重要了。
能量转换的另一个关键方法是使系统的电源转换芯片最小化,也就是使电池和终端应用间的功率芯片数量最少。
效率为90%的稳压器仍会消耗它所用到的10%的能量。
如果在电源系统中有两个这样的功率芯片,那么事实上效率仅为8l%,更不必说像电感器这样的无源装置中的额外功耗了。
这就是创新能够引人注目的原因所在。
通常,手持设备设计师更关注某个特定应用,而往往忽略了电源设计。
电源应用专家能驾轻就熟地使用稳压器优化系统能效,例如,设计师可能常常需要将一个电压逐渐升高又逐渐降低,进而分别使用升压和降压稳压器来进行调节。
一个更好的解决方案是:
采用一个降压一升压稳压器,一步即可以完成这些要求。
优化PCB空间
就解决方案的体积而言,小功率芯片并不等于小体积解决方案。
设计师必须确保电容器和电感器等无源元件也可以实现最优化。
此外,在手持设备解决方案中,功率芯片不应该处于关键路径(最大的元件)所在的X、Y或Z数轴上。
关注无形因素――简单易用和面市时间
每个电源芯片厂商和客户都很清楚效率和解决方案尺寸是手持设备设计中不可或缺的两个要素。
事实上,对于下一代手持设备的设计而言,这些都是需要考虑的因素。
那么,电源管理器件还能带来什么特性呢?
它是否简单易用?
手持设备设计师不是电源专家,他们可能更喜欢简单易用的解决方案。
例如,在一个无电感器充电泵开关稳压器中进行设计远比磁性解决方案的设计更加简单,因为设计师不需要处理更大的尺寸、额外的设计时间、当然还有电感器所产生的噪声。
未来,我们需要为众多的手持设备设计师提供更多的软件和网络支持工具,以支持下一代手持设备的设计。
手持设备市场中,由于客户需求不断更新,迫使开发周期要极度灵活。
因此,便携设备设计师会特别关注可缩短设计时间的芯片。
手持设备解决方案是一个动态的实体,可以利用最新的特性和应用自行进行反复修改。
对于手持设备设计师来说,如果每次设计中都对电源解决方案进行评估、重新设计电路板并每次都对新系统进行测试,这样的工作效率自然很低。
拥有具有某种程序可配置性的电源芯片极为重要。
尤其是像12C这样的数字接口,可以帮助客户改变电压和电流。
然而,I2C接口要求编程的软件在消费类电子设计中是很少见的。
因此,我们必须开发创新的模拟接口,允许客户修改其解决方案,甚至是实现更好的电源解决方案,以适用于终端应用不断变化的需求。
调节效率在电源稳压器的传统拓扑结构中已经达到了一个饱和点。
在我看来,开发一个新的开关稳压器获得的收益很少,它仅仅能把效率从95%提高到96%。
然而,手持设备设计师面对的大部分电源挑战仍然没有得到解决。
现今有相当多的电源管理芯片可供使用,对于系统设计师而言,如果这些芯片正好可以解决相应的问题,那么它们将具有极高的可用性。
但是,应用需求的提升使得这些芯片难以跟上市场需求的发展。
此外,对于电源管理专家而言,他们将有机会定义更高性能的电源管理器件。
下一代手持设备电源管理芯片将不仅仅是高效的电源调节器,还将是多种问题的解决者。
针对负载点消费类电子设备的电源管理解决方案
技术进步
由于更高的集成度、更快的处理器运行速度以及更低的价格目标,针对数字电视、线缆调制解调器以及机顶盒的负载点(POL)处理器电源设计变得越来越具挑战性。
多年来,随着集成度的提高和工艺技术的进步,设计旨在用于消费类电子应用的数字处理器和模拟ASIC受益匪浅。
现在,工艺技术的进步也可用于现成的负载点电源管理电路。
本文将讨论一些电源管理设计所面临的挑战,如:
选择最佳的输出电容、解决排序问题以及最少化部件数量等问题。
为了解决这些问题,通过利用可保持系统低成本的电源管理器件工艺技术的进步,Tl开发出了一款新型双通道、降压DC/DC转换器。
现在只需要电源设计的基础知识就可以设计出一款高性能电源,从而使设计师将主要精力放在其他重要方面,以使其消费类电子产品更成功、成本更低而且功能更强大。
负载点消费类应用的典型电源架构
非便携式消费类电子设备都是由不同类型的AC/DC电源供电的。
例如:
线缆调制解调器是由一个简单的墙上适配器供电的,而液晶电视则在其机壳中集成了一个具有功率因数校正(PFC)功能的、可提供数百瓦功率的比较复杂的电源。
在上述每个AC/DC电源中,根据具有较大负载电流的系统所需要的最高DC电压,AC电源可转换为常见的DC电压,如:
5V、12V或24V。
其负载可以是线驱动器、冷阴极灯管(CCFL)背光逆变器或调谐器模块。
双通道输出电源解决方案
对于消费类应用而言,将两个电源集成到一个芯片上,并采用低引脚数量的小型封装具有诸多好处。
大多数消费类应用都需要多个低电压轨来为逻辑电路供电。
在这些应用中,双通道转换器可以将单个控制器和两个转换器的MOSFET组合在一个紧凑型器件中。
许多ASIC和处理器都需要内核电压和I/O电压,这可能存在排序要求。
一款双通道输出DC/DC转换器可以将电路集成,以实现输出电压排序要求的轻松实施。
减少DC/DC转换器的数量可以从多方面节约成本,例如:
由于在电路板上焊接组件数量的减少,从而加速了产品上市进程,简化了设计、降低了采购限制并提高了可靠性。
要使双通道、高电流DC/DC转换器成为现实的技术需要考虑诸多设计因素。
由于在一个封装中包含了两个转换器,所以要保持器件的低功耗就是一个很大的挑战。
如欲实现较小的电路面积,低阻抗MOSFET的集成至关重要,但同时还要满足转换器封装的散热要求。
不幸的是,降低电源MOSFET的导通电阻就意味着增大硅裸片的面积,此举会增加芯片的尺寸和成本。
DC/DC转换器厂商经常面临着这样进退两难的僵局:
要么缩小MOSFET的尺寸以满足芯片小型封装的要求,要么增大MOSFET的尺寸以降低功耗并提高效率。
借助一流的工艺技术,TPS54386在尺寸与效率之间实现了平衡――小型14引脚HTSSOP封装中每个MOSFET的导通电阻为85mQ。
对于消费类电子设计师来说,将同类竞争产品宽输入电压范围的DC/DC转换器的导通电阻进行比较,并对其效率进行测量以确保获得最佳值是个不错的想法。
图1显示了一款用于双通道输出DC/DC转换器的典型应用电路,该转换器具有集成的高压侧MOSFET。
虽然使用双通道转换器有诸多好处,但相似的单通道DC/DC转换器通常也有很广的市场前景。
当两个低压输出的目标负载之间相隔很大的距离时,使用两个单通道控制器要比使用一个双通道转换器好的多。
在高电流的情况下,PWB线迹的电阻会降低负载的输出电压。
这样就会影响电源的稳压精度和功耗。
在完成电路布局之前,对电路板做一个精心的规划有助于确定是采用一个双通道转换器,还是采用两个单通道转换器更好些。
排序
越来越多的处理器厂商开始针对内核与I/O上电时序提供建议的时序指南。
除了可以满足内核与I/O上电时序要求以外,对电源进行排序还有助于降低启动时的浪涌电流。
当多个电源轨同时启动时,对主电源就提出了更高的要求。
如果在大电流充电(chargingbulk)时伴随着电流消耗(currentdraw),且旁路电容非常大,那么主电源可能会跳变至电流限制设置值,从而导致其关断。
交错电压轨有助于最少化与浪涌电流有关的问题。
为了解决这些问题,图1所示的双通道转换器提供了单独开启的引脚,以适应具体的启动顺序。
在向电源输入引脚施加电压以后,可能会使用一个与启动引脚相连的R-C电路来延迟相关输出的开启。
此外,排序引脚还允许用户选择顺序排序或比例排序。
对于比例排序而言,每个输出端都会在进入稳压的同时,以最终输出电压决定的比例斜坡上升(见图2)。
而对于顺序排序而言,当一个输出端实现稳压以后,另一个输出端才开始启动。
通过SEQ引脚,用户可以对其中的任何一个输出端进行编程,以使输出端先完成斜坡上升。
如果需要的话,开启引脚可以实现单独转换。
缩小外部组件尺寸并减少其数量
近年来,将两个输出电压转换为异相的技术得到广泛青睐。
实现两个独立电压稳压器在一个系统中的运行可以共享一个输入电容,并以单个转换器频率2倍的比例吸收(draw)纹波电流。
当以180度的相位差运行这两个电压稳压器时,总RMS输入电流被降低了,从而减少了所需输入电容的数量。
在此情况下,振荡器频率也实现了内部稳定(该频率是转换频率的2倍)。
这两个输出端在内部实现了交互转换周期运行(即以180度的相位差运行)。
该技术减少了大体积电容的数量,因此降低了系统成本。
此外,通过消除两个转换器之间的拍频(beatfrequency),同步技术还减少了EMI。
DC/DC转换器可以用来实施反馈网络中的内部或外部补偿。
外部补偿提供了选择各种电感与电容组合的灵活性,但是对于那些不擅长模拟设计的数字设计师来说,控制环路补偿与稳定性判断标准无疑是非常麻烦的。
在此方法中,首先是要选择LC滤波器,然后再决定补偿网络。
内部补偿不但简化了设计,而且减少了外部组件的数量,但是设计师必须在一定的LC组件范围内进行选择。
因此,必须选择适当的LC滤波器,以保持稳定性。
为了降低设计和生产成本,该转换器集成了补偿组件。
这样就可以在提供选择电感和输出电容值灵活性的同时,减少组件的总数量。
使用高阻抗铝电容或低阻抗陶瓷输出大电容
由于成本较低,铝电解质电容在消费类电子领域非常受欢迎。
铝电解质电容具有相对较高的等效串联电阻(ESR),其阻值随着温度的改变会发生很大的变化,但是可提供大电容。
为了降低总ESR(随之而来的是降低输出纹波电压),必须将若干个铝电解质电容并联起来,这样会占用较多的空间。
而相对较小的陶瓷电容则可以和铝电容并联,以降低纹波电压。
无论采用哪种方法,都必须对功率级进行适当的补偿。
有了内部补偿组件的帮助,如果在输出滤波器中采用了一个高ESR电容,那么在环路响应中就会引入一个零点,这样会导致环路的不稳定。
通过引入一个极点(该极点的单个小型陶瓷电容与较低的分压电阻并联),该零点可以被轻松地去除。
最新的陶瓷电容技术已将电容值大大提高,并降低了成本。
低ESR陶瓷电容将被用于较高的转换频率,并且是铝电解质电容的替代解决方案。
在使用具有内部补偿器件的低ESR陶瓷电容时,需要在反馈网络中添加一个零点以减小交叉频率(crossoverfrequency)处的增益斜坡,并提供一个相位升压。
可以通过将一个小型电容与上面的分压电阻并联来添加一个零点。
结语
元器件集成度的提高使数字设计师可以专注于主要工作,而将更多的设计任务留给电源芯片厂商。
通过在一个芯片上集成多个转换器、集成排序方案并使用低成本滤波器,DC/DC转换器厂商实现了多种功能的集成,从而降低了成本和复杂度。
如何从降压型DC/DC转换器产生辅助电源
很多应用中,除主电源之外通常还需要一个低功率电源。
模拟前端放大器需要±
5V电源供电,而数字主电路只需+5V电源。
基于成本、物料管理以及EMC等因素的考虑,单独增加一路-5V电源不是很合适。
因此,需要寻找一种可以从主电源产生辅助电源的方法。
为解决上述问题,可以用一个降压转换器的开关操作产生一路或多路、隔离的或非隔离的电源输出。
从主电源获取10%~30%的辅助电源输出电流是完全可行的,本文将通过MAX5035DC/DC转换器说明具体的实现方案。
降压波形
首先回顾一下降压转换器的工作波形,确定用来产生辅助输出的电压和电流,参见图1。
LX引脚的开关电压波形幅度为:
注:
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