解析电源管理技术趋势 分享前沿解决方案

　　的节能需求和电子设备必须遵守的强制性能效规范要求，以及便携装置小型化多功能趋势是电源与电源管理技术发展的推动力。提高电源效率、降低待机功耗、高功率密度、高可靠性、高集成度和低成本是电源与电源管理技术的发展趋势。
　　为了向读者介绍的电源与电源管理技术，本刊采访了一些公司负责人，他们就电源与电源管理技术的发展趋势、新产品/新技术及其应用、典型解决方案等发表了独特见解。下面是访谈录。
Sales VP of Zetex Asia   Echo Li
　　过去几年里，电子应用装置充斥着我们生活的方方面面。许多是可见的，例如无处不在的移动装置(如照相机、手机和PDA)，但即使是较成熟的产品领域(如家用电器和汽车)也在悄然发生着变化。此类发展彻底改变了我们的生活方式；而且在可预见的未来里必将继续加快变革的步伐。实现这一切的基础在于电子设备已由原来的静止独立系统发展为便携式综合系统，这些高要求、结构紧凑、功能丰富的产品可满足我们随时随地的各种需求。对功率的要求也随之增长，使得电源与电源管理的技术趋势朝着更高的功率效率与功率密度的方向发展。电源系统结构也不得不随之改变，随着不断增加的对控制何时、如何输送电能的复杂要求，需要近乎无传输损耗的传感技术与反馈电路。同时，通过使用运行时钟频率日益增加的微控器使得这些新产品成为可能，这些微控器运行于较低电压馈送但却要求较高电流。而从始至终终用户的成本期望必须得到满足。因此总体技术趋势向电源设计者提出了一个令人生畏的挑战—如何同时满足所有这些需求？
　　答案其实很简单—您需要对动力系统设计做出整体分析，从系统的每一部分出发，权衡每一种优势，无论是动力系统构造和布局技术，或印刷电路板的类型与设计，直至对部件技术的选择：半导体、被动元件、变压器、电感器等。例如隔离式DC/DC转换器的布局变化。逆向变换器已被使用正向有源钳位布局技术的高电流变换器所替代，这是因为有源钳位重新获取的磁化能量可带来较高效率。此种方法要求对电源开关元件更为复杂的控制，但终将带来更高的效率、增强的功率密度与更低的成本。同时在另一方面，开关MOSFET已替代Schottky二极管，将效率提升90%，这得归功于槽FET电导和开关损耗的减少，以及控制成本的下降。
　　随着今后控制成本的进一步下降，这些更加复杂的技术将渗入成本限制更为严格的应用中，并很有可能造成强制出台限制炭排放的新的更严格立法。便携设备(如手机)如今使用铜电源通路层达至10层的多层配电板，不仅提供高密度电通路，而且通路的缜密定向与布局也改进了热力性能。同时，电池技术将继续朝着增加功率密度的方向发展，迫使电源电压与控制技术随之改变。电力半导体器件将继续减少它们的特定区域导通电阻，体积和发热量也将随之减少，因此可被放置入更小的组件。半导体自身也需要重新设计以降低热电阻，以便使用更高的功率密度与更大的开关电流。家用电器(如洗衣机)的通用电动机与皮带传动装置将被直接传动无刷直流电动机取而代之，以达到更有效的控制、更快的转速、改进的效率、降低的震动/噪音和改进的可靠性。为实现这样的变化，必须对电源与电源管理进行全面改造：利用新控制与电源部件的更为复杂的布局技术。在汽车领域，被广泛应用的电子应用装置将以更快的速度继续发展，这将体现在汽车的每一方面，所以这些都是出于燃料效率、安全以及控制方面的考虑。随着减少炭排放的立法的即将出台，动力系统设计的根本性改变将使新的方法、技术与材料成为必需。
　　Zetex重点开发适应这些潮流的独特新型半导体元件，包括双极晶体管、MOSFET、Schottky二极管、电流监控装置及低消散稳流器。这些元件被运用于多种不同应用装置中。
　　对于隔离式DC/DC转换器，Zetex高压晶体管及MOSFET作为启动开关发挥作用。具备SOT23外形的200伏P沟道提供有源钳位功能以重新获得主侧磁化能量。对于低功率共振转换器，Zetex高增益双极晶体管提供自振主侧开关，从而实现低电磁干扰(ＥＭＩ)下的极严密、极具成本效率的解决方案。对于更高电源的正向变换器，高电流双极晶体管的互补对偶提供电流缓冲，并输送达至8安培的脉冲至主次侧MOSFET栅，传播延迟仅为几纳秒，并且无需复杂控制以防止击穿和闭锁。Zetex LDO和电流监控装置(如电流输出ZXCT1009或电压输出ZXCT1051)为动态荷载调节时主侧和次侧反馈提供保护。
　　对于电池便携应用装置，ZXCT1010单向电流监控装置可用于测量充电与放电电流，适用于带短路保护的简单准确、又具成本效率的压力计。新一代低电压双极晶体管在小型热优化表面安装组件上实现了饱和电压，所产生的功率密度较以前增加了6倍。这些晶体管被用于小功率DC/DC转换器(如负荷开关)，并可作为传输晶体管用于移动电池充电电路，此处由于采用双极晶体管而无需一系列二极管以阻断反向电流，因此进一步提高了效能、节省了空间并降低了布局成本。ZHCS和ZLLS类的Schottky整流器将低正向压降与低方向漏电流相结合，以可接受的成本实现了低功率损耗和高效率。
　　对于直流无刷电动机驱动装置，Zetex ZXBM系列前极驱动IC与超低饱和电压晶体管相结合，为各种应用装置(如PC风扇调节器、汽车座椅鼓风机、家用电冰箱风扇、以及沉没式柴油机油泵)提供总体解决方案。
　　对于汽车，Zetex晶体管可用作主动巡航控制系统、HID头灯组的启动电路以及各种车灯、螺线管和启动器驱动装置的激光脉冲驱动器。
　　美国国家半导体亚太区电源管理产品市场总监  黄汉基
　　美国国家半导体预期电源管理技术将朝着以下三大方向发展：
　　·在更小巧的封装里提供更高功率密度，以提高电源效率；
　　·更高的性能与效率；
　　·更容易使用和设计。
　　有鉴于此，美国国家半导体开发了以下一系列针对性的解决方案：
　　美国国家半导体内置 150m PMOS 开关的 LM283x 系列高功率密度降压稳压器可为负载提供高达 2.0A 的驱动电流，而且由于这系列芯片采用先进的 0.5mm BiCMOS 工艺技术制造，因此可以进一步提高系统的功率密度。
　　美国国家半导体于 2007 年初推出了6 款全新新一代 SIMPLE SWITCHER?LM(2)557x 降压开关稳压器。这系列的稳压器具有性能卓越、设计灵活及容易使用等优点，适用于高达 75V 的输入电压，可以连续输出高达 3A 的电流。而其采用专有的模拟电流模式(Emulated Current-Mode)控制技术，可确保即使在占空比较低的时候，负载瞬态响应仍有卓越的表现，这是传统的电流模式控制所无法做到的。这几款芯片的操作频率都可调节，范围介于 50kHz 与 1MHz 之间，这是业界广阔的动态范围之一。
　　为了确保LM(2)557x系列获得更好的设计支持，美国国家半导体进一步加强了WEBENCH网上仿真工具，让工程师灵活地在尺寸和效率上做出选择，以迅速完成系统设计。工程师可以利用 WEBENCH的网上电气与热能分布模拟工具以及为客户量身订造的BuildIt!TM 电源供应器建模工具，验证设计方案的测试结果，也便可将样机在短时间内送到客户手中。
　　美国国家半导体的 LM3100 同步稳压器是另一款高性能产品。其高性能的固定导通时间(Constant-On-Time)结构搭配正申请的飞轮电流注入控制(Flywheel Current Injection Control)技术让系统可以采用陶瓷输出电容器而无需额外提供等效串联电阻(ESR)补偿。
　　在LED照明技术方面，美国国家半导体预期两大发展领域为：
　　·高亮度传统照明如街灯和工业系统应用；
　　·笔记本电脑和RGB电视的背光应用。
　　美国国家半导体的LM340x系列全新的高亮度LED驱动器，其特点是可以驱动汽车电子系统、工业系统及一般照明系统内置的新一代 1W 至 5W 高亮度LED。其优点是 输入电压范围更为广阔，可以满足这个高增长市场的要求。此外，LM340x系列可以输出恒定的电流，以确保LED的亮度均匀，且反馈电压较低，可将功耗减至少。
　　背光应用方面，美国国家半导体的LM3430为LED背光照明升压控制器，可为笔记本电脑的LCD Panel提供背光。
　　根据 iSuppli 于 2005 年所作的半导体市场占有率调查显示，美国国家半导体是大的稳压器芯片供应商，市场占有率高达 14%。我们的电源管理芯片广泛用于以电池供电的便携式电子产品以及高压电子设备，例如汽车电子系统、服务器、电信设备及工业产品。美国国家半导体的电源管理产品向以性能卓越、速度快、准确度高、散热能力强、效率高、体积小巧建称，而且只需采用数量极少而体积又极小巧的元件。
　　飞兆半导体公司亚太区总裁兼董事总经理　郭裕亮先生
　　飞兆半导体公司认为，电源和功率管理技术的主要发展趋势仍然是更高的功率密度 (或相同功率级下更小的尺寸)、低待机功耗 (通常由政府规范强制执行)、更高的可靠性，以及一如既往更低的价格。但这些趋势并非是彼此独立不相干的，因为各个因素之间存在着权衡取舍。例如，更高的效率有助于实现更高的功率密度和更高的可靠性 (更低的散热)，但却可能使价格增加。
　　PC 机的功率要求主要集中于在整个负载范围内实现 80% 的效率 (参见 80 PLUS 规范)，但服务器的功率要求已达到 85% 的效率。为了获得更高的效率和功率密度，AC/DC 功率转换的技术趋势包括新的 PFC 拓扑，特别是在300W 以上的功率级。无桥 PFC 和交错式 PFC 控制技术有助于提高效率及减小尺寸，同时，单周期 PFC 技术由于减少了外接元件的数目，也有助于减小尺寸和降低成本。
　　在 PWM (DC/DC) 转换方面，能够提高有源模式效率的软开关和谐振模式拓扑正越来越受欢迎。在电源的另一端，比如 AC 适配器，待机模式功耗要求已降低至 300mW以下，而且正向 100mW发展，这将需要能够超越脉冲技术，以及高电压启动器件的集成。对电池充电器而言，初级端调节技术可节省成本、减小尺寸，但电压和电流调节要求日益严格，且无反馈路径，这一点仍是一个挑战。
为了减小尺寸、降低成本并提高可靠性，元件集成度也逐渐成为了一个关键趋势。这可能包括把少量外接保护元件整合到一块 IC 中，以便于在单个模块中集成众多的功率级元件。
　　，许多电源将不再孤立存在。在相同系统和主控制器上不同负载间的新兴通信需求，意味着需要把微控制器整合到电源中以便于通信，并提供部分电源的管理。这已逐渐发展成为有可能实现更高功率密度和更高可靠性的数字控制技术。不过，在数字控制解决方案的系统成本降至经济实惠的水平之前，这种技术还无法被广泛采用。
　　飞兆半导体将继续推出新的技术以实现更高的功率密度、更低的成本及更加可靠的解决方案。飞兆半导体的新产品及技术包括临界导通模式 (critical-conduction mode) PFC 控制器等新型控制器。这些器件具有低 THD (总谐波失真) 的集成式模块，如智能功率模块 (SPMTM)，其中包含任意组合的控制器、MOSFET、快速恢复二极管、强有力的栅极驱动器，以及其它无源元件。
　　飞兆半导体拥有业界广泛全面的集成式和分立式解决方案，覆盖了从 1W 到 20kW 的驱动电机应用。在集成式解决方案系列方面，飞兆半导体近发表了采用 SMD 封装的 Motion-SPM，该器件可让设计人员实现水泵、洗碗机电机和风扇电机等小型 (50W到125W) 逆变器电机驱动应用所要求的能效、紧凑性以及低 EMI 特性。
　　在其广泛的功率因数校正 (PFC) 控制器 IC 方面，飞兆半导体近推出了 CRM PFC 控制器 FAN7529 和 FAN7530，为设计人员提供了低待机功耗和市场上的 THD 性能。这些器件为镇流器具和 LCD TV 设计提供了卓越的系统可靠性。
　　Microsemi PPG VP Sales  Tom Loder
　　大功率，高性能的开关模式应用在设计和生产两个方面都日益变得复杂。许多半导体公司，如MICROSEMI，都正在用新设计，新组装和生产等技术为提高MOSFET产品的功率管理能力，降低生产成本做准备。
　　Microsemi公司新的MOS8系列的MOSFET采用的MOSFET先进技术来获得低的开关损耗和良好的抗振荡能力。MOSFET的关键参数是输入和反向转移(密勒)电容的数值和比值，以及寄生的栅极电阻。MOS8系列的MOSFET的优化设计可以消除栅极振荡，减少EMI(“安静”开关)，简化栅极驱动电路和提高漏-栅抗扰能力，具有耐受高dv/dt能力。与前几代产品一样，Microsemi继续侧重于高压(大于500V)的器件(信息处理，工业和高性能/高可靠性应用)，能够处理高功率，高频应用。MOS8系列产品也具有低导通电阻进而低导通损耗的特性。与低开关损耗结合，系统总效率就有改善进而提高系统功率密度。与早前几代的产品对比，先进的生产制程可以降低热阻，能够使同样的芯片尺寸和封装类型的产品更高的电流额定值。
　　英特矽尔半导体公司中国/香港区总经理   陈宇
　　电源和电源管理技术在今天的电子产品中已展现出其非常重要的地位。电源及电源管理技术的发展趋势主要呈现出以下几个方面：
　　1) 高效率：高效率是目前电源设计中热门的话题。客户希望电源在不同的负载情况下都能有很高的效率。在计算机和通信上用的AC/DC电源，一般要求负载率从20% 到100%变化的范围内，效率都要超过80%。
　　2) 高集成度，高密度：高集成度和高功率密度是当今电源设计中的一种趋势，客户希望现在的电源产品能做的越来越紧凑，并能集成越来越多的功能。
　　3) 智能控制和监控功能等特征：为了在不同的工况达到优化运行并灵活地控制电压和电流，广泛使用数字控制和管理芯片。　
　　除了上面提到的发展趋势外，如何提高性价比一直都是一个话题。多样化的应用、竞争的环境及不断增长的需求促使电源和电源管理芯片不断进行创新并降低成本。
　　作为电源管理产品解决方案的领导供应商，英特矽尔(Intersil)每年都投入了大量的资源进行新技术和新产品的开发。每年都有几百个新产品推向市场。
　　在提高电源效率方面，英特矽尔有许多解决方案采用了先进的技术，如采用了零电压切换(ZVS)和总线转换(Bus converter)的解决方案。
　　英特矽尔公司的ISL6752和ISL6753，专为LCD-TV、服务器电源、通信电源而设计，通过ZVS提高效率特别适用于大功率的应用，适合用于全桥主电路的控制。通过上层开关占空比固定为50%, 下层开关用后沿调整脉冲宽度, 来实现ZVS运行。与传统的全桥移相控制相比, 此法用较少引脚的封装, 降低了系统的复杂性，不但具有同样的转换效率，而且能改善过流和轻载性能。
　　ISL6752特地提供根据原边PWM信号进行补偿的同步整流控制信号输出端。利用外部控制电压,可以动态设置这两个端子的输出信号相对于PWM超前或滞后的程度。
　　ISL6752提供同步整流控制信号，ISL6753则不提供。如果输出电压小于15V，采用　　同步整流能显著提高效率，所以选ISL6752；输出电压高于15V，不需要同步整流，用ISL 6753就行了。
　　又如英特矽尔的ISL6744、ISL6745，是总线转换(Bus converter)的PWM控制器。ISL6744为原边控制的双端控制器，专门用于不需要稳压的半桥、全桥拓扑DC/DC变换器。它提供了的死区控制，死区短可到35ns。具有过流打嗝保护功能。启动电流(100mA)和工作电流都低，从而在AC/DC和 DC/DC应用中都容易提供偏置电源。其先进的BiCMOS设计具有如下特点：1A 的FET 驱动；过流检测传输延迟非常小，为35ns；占空比达99%，有利于提高效率。它还具有其他一些特点， 如可调的软启动，即使重载启动，也能控制输入浪涌电流；内置过温保护；尺寸小、外围元件少；输入欠压保护。
　　ISL6744采用开环控制，解决方案具有成本优势，如果需要闭环控制，可采用ISL6745。
　　在提高集成度，满足紧凑和灵活的电源系统的需要方面，英特矽尔公司推出的ISL65426，是一款很有特点的产品。ISL65246是一个双通道的同步降压稳整器，内部集成功率器件，不需要工程师选择功率MOSFET，只需要简单的选择电感和电容就可以了，能够提供6A的负载电流，效率高至95％。散热增强的QFN封装，高达1.1MHz的运行频率，供电方案很紧凑。内部高端的MOSFET是用PMOS器件来完成，而不是NMOS，自举电容也可以省掉了。这两个输出电压可以逻辑编程也可以电阻可调，每个输出通道的负载电流是用户可以配置的。 和市场现有的其他类似产品相比，下面是特色功能：电流模式控制；内置环路补偿网络，免稳定性的调试；双路输出，少只需8个外围元件，面积小；用户可分配两路输出的电流。

　　在智能控制和监控功能等需要使用数字控制和管理的应用方面，英特矽尔公司也有相应的产品和技术。英特矽尔公司的ISL8601，能更好地支持以太网路由器或交换机，负载点（POL）模块，工业电源管理等应用。其环路的控制是模拟方式，电源管理采用PMbus，是数字方式，模拟控制和数字控制的优点得到完美结合。ISL8601广泛支持PMBus协议，能定制运行参数，提供系统的监控功能，具有非常大的灵活性。众多可编程项目包括：输出电压、过压阈值、过流阈值、过温阈值、开关频率、电源的开或关，电源定序，软起动模式，故障处理模式，预偏置启动，“电源好”信号延迟等。除了通过I2C接口，传输PMBus指令为ISL8601编程外，还可通过外部电阻编程。把PMBus强大功能和灵活性融入到低成本的电源系统. ISL8601既支持MOSFET导通电阻检测电流，也支持电感直流电阻检测电流，检测量经过可编程温度补偿，以确保检测。ISL8601其他特征：集成了MOSFET驱动，内置过流、过压、欠压、过温保护。
　　总之，为了丰富包括计算机、消费、工业、通信、航空和汽车等领域的电源管理应用, 英特矽尔成立了分别对应的电源管理产品线，每个产品线面向各自的用户，都有新产品和技术。