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近來(lái)，“綠色環(huán)境保護”的概念頻頻出現在報紙電臺的新聞中。事實(shí)上，大多數工業(yè)化國家已從根本上接受了這個(gè)理念，那就是他們需要保護并節約能源。他們已經(jīng)意識到，隨著(zhù)人口的增長(cháng)，需要更多的能源來(lái)滿(mǎn)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(fā)電廠(chǎng)耗費巨大，并且把發(fā)的電輸送到用戶(hù)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(chǎng)，不如將現有的電子產(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(chǎng)及其相關(guān)配套設施的巨額成本，很多國家開(kāi)始實(shí)施所謂的“綠色政策”：政府鼓勵生產(chǎn)商在他們的終端產(chǎn)品中采用節能技術(shù)。這樣做的結果是，促使許多電源管理產(chǎn)品供應商去更多地提升他們的產(chǎn)品的電源轉換效率，并且進(jìn)一步降低待機功耗。 背景知識 大多數嵌入式系統通過(guò)48V背板供電，該電壓通常降壓到一個(gè)較低的中間總線(xiàn)電壓：24V、12V或5V，以便滿(mǎn)足系統內多個(gè)板子對電壓的需求�？墒�，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(diǎn)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(shí)是電池供電的手持設備廠(chǎng)商同樣面臨巨大的壓力：他們需要在體積越來(lái)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(shí)間更長(cháng)。比如，大多數PMP既具有視頻播放功能，同時(shí)也具有MP3的功能。這樣一來(lái)，電子產(chǎn)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(jiàn)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(shí)，內存和I/O的電壓要求在 2.2～3.3V。這樣，要想使用多個(gè)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(lái)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(gè)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(shí)有低靜態(tài)電流。 嵌入式系統的供電要求 目前，越來(lái)越多的嵌入式系統中，需要的工作電壓越來(lái)越低，而工作電流越來(lái)越大，這一趨勢也推動(dòng)著(zhù)電源管理技術(shù)的發(fā)展。該領(lǐng)域中很多的進(jìn)步會(huì )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和功率半導體的性能提升上。 總的來(lái)說(shuō)，這些組件允許以對電源轉換效率影響最小的方式提高開(kāi)關(guān)頻率，為提高電源性能做出了貢獻。能夠做到這一點(diǎn)，靠的是降低開(kāi)關(guān)和接通狀態(tài)損耗以及容許高效率地散熱。不過(guò)，向較低輸出電壓遷移給這些因素帶來(lái)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(gè)常用的名詞，就是由兩個(gè)或更多轉換器處理單一輸入電壓，其中，多個(gè)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(gè)大電流輸出，或多個(gè)小電流輸出。就用一個(gè)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(gè)小型MOSFET可以很容易地被集成到芯片里，這樣做還有另一個(gè)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�，F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(jìn)一步，如果采用了脈沖跳躍脈寬調制(pulse-skippingpulse-widthmodulation(PWM))技術(shù)，就可以很容易地實(shí)現橫跨多個(gè)數量級負載電流下的高效率工作。這樣做還有另一個(gè)好處：在負載電流低時(shí)可以獲得低靜態(tài)電流。一般情況下，靜態(tài)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(shí)并沒(méi)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(gè)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(gè)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(lái)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(guò)10W的功率。 例如，考慮單片、同步、高開(kāi)關(guān)頻率(每相高達2MHz)、四相電源IC架構。這類(lèi)產(chǎn)品的一個(gè)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(gè)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(kāi)關(guān)頻率下，以高達94%的效率提供超過(guò)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(méi)有不同。所有電源開(kāi)關(guān)都在內部，因此四相工作是透明的。所有四相的限流值和開(kāi)關(guān)頻率都可以非常容易地用單個(gè)電阻編程，就像在單相設計中一樣。類(lèi)似地，輸出電壓設置和環(huán)路補償與其他熟悉的DC/DC轉換器設計也沒(méi)有不同。 這種類(lèi)型POL轉換器的同步四相架構在寬負載范圍內實(shí)現了高效率，同時(shí)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(shí)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(zhù)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(jiǎn)單、緊湊、高效率和多功能的解決方案。 |
