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近來，“綠色環境保護”的概念頻頻出現在報紙電臺的新聞中。事實上，大多數工業化國家已從根本上接受了這個理念，那就是他們需要保護并節約能源。他們已經意識到，隨著人口的增長，需要更多的能源來滿足他們的新需求，比如：為新建的房屋供熱、制冷、照明，為新添加的電子設備供電等。 建造新的發電廠耗費巨大，并且把發的電輸送到用戶那里，同樣需要花費大量財力。相比之下，與其建造更多的發電廠，不如將現有的電子產品能耗降低15%～20%，這樣做將更有成本效益。 由于建造發電廠及其相關配套設施的巨額成本，很多國家開始實施所謂的“綠色政策”：政府鼓勵生產商在他們的終端產品中采用節能技術。這樣做的結果是，促使許多電源管理產品供應商去更多地提升他們的產品的電源轉換效率，并且進一步降低待機功耗。 背景知識 大多數嵌入式系統通過48V背板供電，該電壓通常降壓到一個較低的中間總線電壓：24V、12V或5V，以便滿足系統內多個板子對電壓的需求。可是，板子上大多數的支電路或集成電路工作電壓范圍是-1～3.3V，電流范圍為十幾微安到十幾安培。這就需要利用POLDC/DC（負載點轉換器）將電壓從24V、12V或5V轉換到支電路或集成電路所需要的電壓范圍和電流范圍。 即時是電池供電的手持設備廠商同樣面臨巨大的壓力：他們需要在體積越來越小的產品中集成更多的功能，并且還要使電池的使用時間更長。比如，大多數PMP既具有視頻播放功能，同時也具有MP3的功能。這樣一來，電子產品內部的電路就需要多種具有不同功率級的低電壓輸出。導致這一結果的主要原因是顯而易見的：大多數大規模數字集成電路（LSI）的工作電壓是1.2V或者更低，同時，內存和I/O的電壓要求在 2.2～3.3V。這樣，要想使用多個單一POL DC/DC轉換器直接從鋰離子電池轉換電壓幾乎是不可能的，因此，系統設計者需要采納一種更加集成的方法。 利用電源管理IC來節能 作為一款節能的DC/DC 轉換器中的電源管理IC，它需要具備兩個基本條件：首先，它必須具有非常高的轉換效率并且具有寬的負載電流范圍；其次，它還必須在備用和停機模式時有低靜態電流。 嵌入式系統的供電要求 目前，越來越多的嵌入式系統中，需要的工作電壓越來越低，而工作電流越來越大，這一趨勢也推動著電源管理技術的發展。該領域中很多的進步會追溯到電源管理技術上的一些發展，特別是一些功率IC和功率半導體的性能提升上。 總的來說，這些組件允許以對電源轉換效率影響最小的方式提高開關頻率，為提高電源性能做出了貢獻。能夠做到這一點，靠的是降低開關和接通狀態損耗以及容許高效率地散熱。不過，向較低輸出電壓遷移給這些因素帶來了更大的壓力，這又導致了極大的設計難題。 多相考慮 多相工作是轉換拓撲中一個常用的名詞，就是由兩個或更多轉換器處理單一輸入電壓，其中，多個轉換器彼此之間相互同步，但以不同的鎖定相位工作。這種方法可以降低輸入紋波電流、輸出紋波電壓以及整體的射頻干擾，并且在輸出電壓完全穩壓的情況下，允許單個大電流輸出，或多個小電流輸出。就用一個單片器件提高輸出電流能力而言，它還允許使用小型的外部器件，而且多個小型MOSFET可以很容易地被集成到芯片里，這樣做還有另一個好處，提高了熱管理效率。 多相拓撲結構可以配置成降壓、升壓或正激式，雖然一般情況下多使用降壓型轉換器。現在，從12V輸入到1.xV輸出（比如，1.0V、1.2V、1.5V甚至0.9V）的轉換效率達到95%是很普遍的事情。更進一步，如果采用了脈沖跳躍脈寬調制(pulse-skippingpulse-widthmodulation(PWM))技術，就可以很容易地實現橫跨多個數量級負載電流下的高效率工作。這樣做還有另一個好處：在負載電流低時可以獲得低靜態電流。一般情況下，靜態電流的標準范圍是幾十μA內。 嵌入式系統和電池供電的手持設備其實并沒有特別的不同，但有一項除外，手持設備對元器件的高度有特別嚴格的限制。這對于電源轉換器是一個挑戰，因為，電感和濾波電容通常是比較高的元件。雖然如此，對于這些應用，多相拓撲結構仍然是一個理想選擇，即便元器件高度降低到1.5mm。 與單相轉換器相比，來自不同模擬IC供應商的多種多相單芯片轉換器，都可以更高的效率、更薄的厚度、更低的輸出紋波，在很小的體積內提供超過10W的功率。 例如，考慮單片、同步、高開關頻率(每相高達2MHz)、四相電源IC架構。這類產品的一個例子是LTC3425，如圖1所示。它允許使用體積小、成本低的電感器，而不是單個又大、又笨重的電感器，而且與單相電路相比，需要更少的輸出濾波電容，因為有效的輸出紋波頻率高達8MHz。此外，所需的全部功率MOSFET都集成在芯片內。這非常適用于需要使用扁平組件的空間受限的電路板和便攜式設備。 圖1 LTC3425將兩節NiCd/MH電池電壓提高到3.3V。該設計可以在每相1MHz的開關頻率下，以高達94%的效率提供超過2A的負載電流（4MHz輸出紋波頻率） 另外，用多相方法設計轉換器與設計傳統單相轉換器沒有不同。所有電源開關都在內部，因此四相工作是透明的。所有四相的限流值和開關頻率都可以非常容易地用單個電阻編程，就像在單相設計中一樣。類似地，輸出電壓設置和環路補償與其他熟悉的DC/DC轉換器設計也沒有不同。 這種類型POL轉換器的同步四相架構在寬負載范圍內實現了高效率，同時允許使用扁平的組件。最后，由于輸出紋波電流以4:1的比例降低，因此用小尺寸和較低成本的陶瓷電容器就可實現非常低的輸出電壓紋波。 總結 由于在機箱內空間有限和冷卻等多種限制因素，以及需要正確的電源跟蹤，以提高系統可靠性，幾乎任何系統的POLDC/DC轉換器設計師都面臨著很多難題。盡管必須克服大量限制因素，設計師們還是有路可走的，許多模擬集成電路制造商最近推出了很多穩壓器，可提供簡單、緊湊、高效率和多功能的解決方案。 |
