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近來，“綠色環(huán)境保護(hù)”的概念頻頻出現(xiàn)在報紙電臺的新聞中。事實上，大多數(shù)工業(yè)化國家已從根本上接受了這個理念，那就是他們需要保護(hù)并節(jié)約能源。他們已經(jīng)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(shè)備供電等。 建造新的發(fā)電廠耗費巨大，并且把發(fā)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(fā)電廠，不如將現(xiàn)有的電子產(chǎn)品能耗降低15%～20%，這樣做將更有成本效益。 由于建造發(fā)電廠及其相關(guān)配套設(shè)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(chǎn)商在他們的終端產(chǎn)品中采用節(jié)能技術(shù)。這樣做的結(jié)果是，促使許多電源管理產(chǎn)品供應(yīng)商去更多地提升他們的產(chǎn)品的電源轉(zhuǎn)換效率，并且進(jìn)一步降低待機(jī)功耗。 背景知識 大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)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(tǒng)內(nèi)多個板子對電壓的需求�？墒牵遄由洗蠖鄶�(shù)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(fù)載點轉(zhuǎn)換器）將電壓從24V、12V或5V轉(zhuǎn)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(shè)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(chǎn)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(shù)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(chǎn)品內(nèi)部的電路就需要多種具有不同功率級的低電壓輸出。導(dǎo)致這一結(jié)果的主要原因是顯而易見的：大多數(shù)大規(guī)模數(shù)字集成電路（LSI）的工作電壓是1.2V或者更低，同時，內(nèi)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(zhuǎn)換器直接從鋰離子電池轉(zhuǎn)換電壓幾乎是不可能的，因此，系統(tǒng)設(shè)計者需要采納一種更加集成的方法。 利用電源管理IC來節(jié)能 作為一款節(jié)能的DC/DC 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率并且具有寬的負(fù)載電流范圍；其次，它還必須在備用和停機(jī)模式時有低靜態(tài)電流。 嵌入式系統(tǒng)的供電要求 目前，越來越多的嵌入式系統(tǒng)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(shù)的發(fā)展。該領(lǐng)域中很多的進(jìn)步會追溯到電源管理技術(shù)上的一些發(fā)展，特別是一些功率IC和功率半導(dǎo)體的性能提升上。 總的來說，這些組件允許以對電源轉(zhuǎn)換效率影響最小的方式提高開關(guān)頻率，為提高電源性能做出了貢獻(xiàn)。能夠做到這一點，靠的是降低開關(guān)和接通狀態(tài)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(dǎo)致了極大的設(shè)計難題。 多相考慮 多相工作是轉(zhuǎn)換拓?fù)渲幸粋�常用的名詞，就是由兩個或更多轉(zhuǎn)換器處理單一輸入電壓，其中，多個轉(zhuǎn)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(wěn)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器�，F(xiàn)在，從12V輸入到1.xV輸出（比如，1.0V、1.2V、1.5V甚至0.9V）的轉(zhuǎn)換效率達(dá)到95%是很普遍的事情。更進(jìn)一步，如果采用了脈沖跳躍脈寬調(diào)制(pulse-skippingpulse-widthmodulation(PWM))技術(shù)，就可以很容易地實現(xiàn)橫跨多個數(shù)量級負(fù)載電流下的高效率工作。這樣做還有另一個好處：在負(fù)載電流低時可以獲得低靜態(tài)電流。一般情況下，靜態(tài)電流的標(biāo)準(zhǔn)范圍是幾十μA內(nèi)。 嵌入式系統(tǒng)和電池供電的手持設(shè)備其實并沒有特別的不同，但有一項除外，手持設(shè)備對元器件的高度有特別嚴(yán)格的限制。這對于電源轉(zhuǎn)換器是一個挑戰(zhàn)，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(yīng)用，多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換器相比，來自不同模擬IC供應(yīng)商的多種多相單芯片轉(zhuǎn)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(nèi)提供超過10W的功率。 例如，考慮單片、同步、高開關(guān)頻率(每相高達(dá)2MHz)、四相電源IC架構(gòu)。這類產(chǎn)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(dá)8MHz。此外，所需的全部功率MOSFET都集成在芯片內(nèi)。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(shè)備。 圖1 LTC3425將兩節(jié)NiCd/MH電池電壓提高到3.3V。該設(shè)計可以在每相1MHz的開關(guān)頻率下，以高達(dá)94%的效率提供超過2A的負(fù)載電流（4MHz輸出紋波頻率） 另外，用多相方法設(shè)計轉(zhuǎn)換器與設(shè)計傳統(tǒng)單相轉(zhuǎn)換器沒有不同。所有電源開關(guān)都在內(nèi)部，因此四相工作是透明的。所有四相的限流值和開關(guān)頻率都可以非常容易地用單個電阻編程，就像在單相設(shè)計中一樣。類似地，輸出電壓設(shè)置和環(huán)路補(bǔ)償與其他熟悉的DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計也沒有不同。 這種類型POL轉(zhuǎn)換器的同步四相架構(gòu)在寬負(fù)載范圍內(nèi)實現(xiàn)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(xiàn)非常低的輸出電壓紋波。 總結(jié) 由于在機(jī)箱內(nèi)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(tǒng)可靠性，幾乎任何系統(tǒng)的POLDC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計師都面臨著很多難題。盡管必須克服大量限制因素，設(shè)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(wěn)壓器，可提供簡單、緊湊、高效率和多功能的解決方案。 |
