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    提升能效,讓整個世界微笑
    2013-01-31 15:29:44 點擊數:

    提升能效,讓整個世界微笑

    作者:李健   時間:2012-11-20  來源:電子產品世界
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    關鍵詞:  電源管理  DC/DC  MOSFET  

    飛兆半導體中國區銷售總監王劍介紹,功率管理IC用于多種消費產品和計算應用的各種功率轉換和分配電路中,包括手機、汽車電子和工業等應用。近期,人們將功率管理IC嵌入在超便攜設備、手機和膝上型電腦的智能功率管理IC中,這項集成是通過改進制造工藝和設計技術來實現的。功率管理IC的另一項功能是照明管理。最近推出的高效率白光LED為消費產品、計算產品和手機提供了新型照明單元,可以實現從簡單的功率管理到調光、智能驅動、接口和保護功能的多種功能(如OTP、OVP、OCP、反向電池電流保護等)。

    談及挑戰,國際整流器公司亞太區銷售副總裁潘大偉看到,受氣候變化、能源安全與成本、全球經濟發展和人口增長等問題的影響,大眾關心的焦點轉移到了能效上。尤其是在家用電器市場內,新法規、標簽計劃和對更高性能的需求促使制造商利用永磁變速驅動器取代采用AC感應或者有刷DC電機的機電驅動系統。然而,電子控制單元的設計很復雜,并且涉及3個方面 - 數字、模擬和功率級。同時,設計者必須以較低的成本為大批量電器市場實現高性能。

               

    注重系統級的電源設計

    從市場角度來看,消費者期望更高的系統效率。這意味著對整機輕載和待機功耗的關注度越來越高,也更加注重系統級。Maxim戰略市場應用經理Jon Day表示,在現有半導體技術基礎上,芯片本身的效率仍在增長,但增幅較緩。而對效率的大幅提升需要依靠電源子系統的遠端控制。使得用戶可以針對整體的系統負載進行優化,設計出尺寸越來越小、效率越來越高的電源。

    ADI公司部門市場工程師張潔萍補充了另外一些變化,技術供應商已不僅僅局限在電源技術本身,同時更多地關注系統信號鏈的把握和系統的應用。在系統的角度,通過器件帶有的特性提升整體工作效率。比如,電源器件通過檢測系統的工作狀態,如動態的調節輸出電壓來達到效率優化的目的。另外,隨著系統容量的不斷擴充及空間的考量,電源的通道數有所增加,電源器件通過檢測輸出功率,調節輸出通道的開通與關斷來達到提升系統效率的目的。從工藝角度來看,功率器件工藝的改進是提高效率的關鍵。

    電源產品制造商面臨的兩大挑戰也許是:在產品壽命期內降低系統的總體擁有成本;就功耗而言使系統更經濟,即提高工作效率以使系統更“綠色”。 凌力爾特電源產品部產品市場總監Tony Armstrong介紹,盡管對新式電子系統的可靠工作至關重要,但是在今天的系統中,穩壓器也許是仍然存在的最后“盲點”之一,人們沒有辦法直接配置或監視關鍵電源系統工作參數。因此,電源設計師一直被迫使用一大堆混在在一起的排序器、微控制器和電壓監察器,以設定基本穩壓器的啟動和安全功能。數字可編程 轉換器已經上市很多年了,特別是具備 VID 輸出電壓控制的 VRM 內核電源。不過,直接從穩壓器監視工作狀態信息的能力一直缺失,尤其是直接監視實時電流的能力。

    使用標準串行數字總線 (例如 I2C) 可與數字 轉換器實現簡單和高效率的通信,PMBus 等新出現的標準方便了組件互操作性的實現。重要的穩壓器參數 (包括啟動特性和定時、輸出電壓和電流限制、裕度調節規格、以及過壓和欠壓監控限制) 都能以數字方式直接設定,而不用電阻器和耗費空間的排序及監視產品來設定。此外,諸如溫度以及輸入和輸出電壓及電流等關鍵工作參數可以得到常規監視,并用來優化系統性能和可靠性。

    Tony Armstrong特別強調,系統設計師需要克服的一個重大障礙是,器件處于低功率或備用模式時的功耗,因為這時仍然從電池或電源插座吸取電流。因此,自上世紀 90 年代早期開始,凌力爾特一直生產同時具備高效率轉換和低靜態電流的 IC。通過采用新的設計方法,以在和轉換 IC 中,在負載電流很大時實現高效率轉換,我們可以應對這一挑戰。同時,當這些 IC 置于備用或停機模式時,很多新的電源轉換產品也具備了較低的靜態電流,以便設計師能非常容易地發現合適的產品,以使其最終系統能更加環保。

    便攜電源設計挑戰

    便攜產品本來就是對非??量痰男袠I,隨著便攜設備越來越普及,對便攜設備的電源設計能效要求也越來越強烈,并成為電源設計的主戰場。

    便攜式產品集成的功能越來越多,集功能娛樂于一體。對于便攜電源產品,由于空間的限制,要求芯片級產品具有更小的體積,更高的集成度,更少的外圍器件。這就意味著IC要應對電池使用時間、高集成性、可靠性、外形因子以及成本等方面的挑戰。而目前,張潔萍認為便攜式移動設備的系統還是存在一些技術上的難題,主要體現在:

    1. 系統中最根本的問題:如何提高電源效率。

    2. 平衡效率與尺寸:提高頻率可以使用較小的電感,這樣可以有效的減少PCB面積。但提高頻率的同時,也會降低系統的效率,所以在工作頻率和PCB面積間需要找到一個合理的平衡點。

    3. RF和音頻線路則要求系統具有更低的噪音和更高的隔離。

    就便攜式產品的設計而言,除了上面所列的存在很多系統設計師必須克服的關鍵問題。Tony Armstrong認為還有一個最重要的問題是怎樣讓熱量從設備中散發出來,因為這類設備沒有風扇用來實現冷卻。因此,這類產品內部使用的電源轉換 IC 必須是熱效率非常高的,因為電源轉換效率欠佳會產生熱量。這種熱量是在能量傳遞過程中于穩壓器中損失的功率產生的。此外,在很多便攜式設備內部,用于實現冷卻的空氣流動有限,散熱器也受到限制,因為這類產品本身的尺寸和可用空間有限。這導致在小型、緊湊的外形中,裝入的是密集排列的印刷電路板。因此,將熱量排出產品的途徑有限。這種熱量就等于工作環境溫度的上升,這又可能對產品的可靠性產生不利影響。

    轉換器的轉換效率可以按照輸出功率除以輸入功率計算,或者換一種方式,按照負載功率除以輸入功率計算。在電源轉換過程中產生熱量所導致的結果是,系統設計師必須仔細考慮應該使用什么類型的穩壓器。因此,在很多制造商中出現的一種常見的趨勢是,采用開關穩壓器而不是更簡單的線性低壓差穩壓器,因為開關穩壓器可以更高的效率工作。

    在幾乎任何類型的電池供電便攜式設備中都需要多個電壓軌,這種情況非常常見。這些軌包括多個微處理器軌和大量特別功能電壓軌。因此,對提供必要功率的電池需求已經極大地增加了。不過,電池的外形尺寸一直保持相對較小,而且功率密度僅實現了適度增加。結果,在幾乎任何手持便攜式設備中,電池運行時間和良好的熱量管理都成為了非常重要的賣點。這導致需要非常緊湊和高效率的多輸出同步降壓型轉換器。

    同步降壓型轉換器與傳統線性穩壓器相比,已經在電池運行時間上有了極大改進。此外,這類轉換器提供 96% 左右的效率,幾乎無需任何散熱器。因此,就電源轉換 IC 而言,Tony Armstrong看到的一個日益增強的趨勢是,提供多輸出器件,例如 6 到 8 個通道,而且所有通道都是同步降壓型轉換器,以在很寬的電流范圍內實現高效率轉換,同時以高于 2MHz 的開關頻率工作,以保持盡可能小的外部組件尺寸和解決方案占板面積。

    便攜設備集成的功能越來越多,功耗也越來越高,而電池容量及技術的進展仍然緩慢。鄭兆雄強調,便攜設備設計人員必須適應這種結合許多功能的高集成度趨勢,提供足夠長的電池使用時間,同時配合消費者對纖薄外形的需求。為了應對這些挑戰,可行策略是在選擇集成多種功能的主芯片組,同時選用高集成度的集成電路(PMIC),幫助簡化設計,使控制電源所需的資源減至最少,并將外形因子保持在可控范圍之內。雖然高集成度PMIC的應用日益增多,但隨著便攜產品功能不斷增多,集成度相對較低的電源轉換IC的需求也增加了,以此配合增加新功能。

    新的競爭需求

    電源半導體是個技術發展相對平穩的行業,新技術的出現并不多,但是在更高能效需求驅動下,如何幫助客戶應用新技術更快更高效進行電源設計,就成為電源半導體廠商競爭的焦點。

    綠色、環保、節能一直是這幾年電源動力系統技術創新的重點。隨著綠色技術在各行業的不斷滲透,新的行業標準也在推動產品升級。照明、電信、智能電網、智能家電等領域同樣具有巨大的增長空間,也是電源廠商重點關注的方向。節能主要體現在電源產品本身的節能和整體機房節能,而“綠色”主要體現在提高整機效率、減少對電網的干擾以及節省空間、節約成本等方面。另外,模塊化電源、網絡化電源等也是目前的關注焦點。模塊化電源,除了能提高電源供應的可靠性,企業自身還可根據用電負載選配模塊。因此,廠商們如果想要在激烈的市場競爭中保持甚至提高市場占有率,持續技術和產品創新是重中之重。

    面對這個問題,鄭兆雄認為,電源設計相關的新技術包括兩方面,一方面,可以采用創新的電源架構來優化電源在完整負載范圍內的能效;另一方面,可以細致分析電源各個可能的功率損耗來源,采取針對性的措施來減小功率損耗,進而提升能效,并配合減小尺寸及提升功率密度。例如,當今的電源設計人員不僅要提供更高的滿載及典型負載工作能效,也要優化電源在輕載條件下的能效,從而在完整負載范圍內均能提供優異的高能效性能。

    王劍介紹,飛兆半導體的業務重點仍然是能效及移動連接性的主要應用和市場。一直是追求功率密度領導地位,Dual Cool新型功率專用封裝技術,以滿足電子產品設計對更高效熱管理的不斷攀升的嚴苛要求。該技術通過在封裝頂部增加一個散熱塊,在垂直裸片結構的漏極和源極形成一條直接散熱路徑。利用這種結構,除了到印制電路板的直接傳導路徑之外,還能利用一個散熱系統在封裝頂部實現額外的冷卻。

    最近,為了提升效率和控制性能,許多馬達控制應用已經采用了逆變器解決方案。即便在家用電器領域,BLDC逆變器解決方案正在普及。不過,關鍵問題是如何提高這些解決方案的成本效益和可靠性,許多功率器件供應商針對這一市場推出分立器件或模塊解決方案。制造商喜好使用模塊解決方案,因為相比分立解決方案,模塊解決方案具有數項優勢。首先,模塊方案有助于提高系統的可靠性和效率。許多成套設備開發人員在設計功率部件和柵極驅動電路時遇到了困難,因其布局周邊是非常敏感的。而模塊解決方案在設計中考慮了這些因素,以期減小雜散電阻/電感并優化開關特性,這可以通過優化硅晶片安排及縮短引線粘接長度來實現。

    近年來,由于越來越需要高能效應用,所以迅速提到設計日程上來,成了工程師需要解決的首要問題。由于希望系統能夠提供更多功能,所以多種終端設備的功率電平和電源密度要求在不斷提高。這就要求解決方案能夠以更小的解決方案尺寸提供更高的電和熱效率,同時還要滿足嚴格的法規要求和終端用戶對更高能效的需求。潘大偉介紹,IR采取的戰略包括構建更高效的功率半導體技術和產品與新封裝解決方案,讓用戶無需提高成本即可提高應用效率。我們還提供用戶輕松、快速評估和實現這些新技術所需的工具和工程支持。隨著設計者和技術人員逐漸接近芯片的物理極限,進一步提升性能就變得越來越復雜,并且需要付出高昂的代價方可實現。某些情況下,為了提高系統的電源密度和減少能源浪費,同時縮小系統尺寸,降低復雜度和削減成本,需要新技術來構建元件,而其它情況下,則需要新材料。除了努力提高現有硅基電源器件的效率和集成度,IR還將重點開發GaN基解決方案。

    目前在領域有很多熱點技術,而新技術的一個典型例子是來自可替代能源領域。顯然,任何專注于應對這一領域的產品都將有極大的增長潛力。

    對環境能源進行非常少量的收集和管理,可以借用該能源能用來執行各種功能,以達到部分節能與提高能效的目的,例如監視大樓中的 HVAC 系統,從而使能源利用效率更高。在我們周圍存在著許許多多的環境能量,能量收集的傳統方法一直是借助太陽能電池板和風力發電機。不過,新的收集手段允許我們利用各種各樣的環境能量源來產生電能。此外,重要之處并非電路的能量轉換效率,而是更多地在于可為其供電的“平均收集”能量值。例如:熱電發生器可將熱量轉換為電力、壓電元件可轉換機械振動、光伏元件用于轉換陽光 (或任何光子源)、而流電元件則可從濕氣實現能量轉換。這使得能夠給遠程傳感器供電或對電能存儲器件 (例如:電容器或薄膜電池) 進行充電,從而可為微處理器或發送器實施遠程供電,而無需使用本地電源。Tony Armstrong認為,這反過來又為將凌力爾特的能量收集產品用作潛在的解決方案帶來了機會。

    可替代能源帶來了很多機會,其中一個非常典型的例子是太陽能供電的電子設備市場。隨著各公司不斷尋求降低能耗的方式,該市場也在持續增長。例如智能電表,這類電表用在智能電網上,希望由環境能源供電,以降低工作所需的能源成本。一個可行和充足的能源是太陽能。不過,因為太陽能是易變和不可靠的,幾乎所有太陽能供電的設備都具備可再充電電池。因此,一個重要的目標是,抽取盡可能多的太陽能以給這些電池快速充電,并保持它們的充電狀態,以在沒有太陽可用時將電池用作能源。

    數字模擬的博弈

    模擬電源和數字電源經過幾年的博弈,目前進入相對平衡的一個階段,比較而言數字電源和模擬電源各有優勢。如數字電源更靈活,但在響應速度、成本及占位面積方面,相比模擬電源仍有不少差距??偟膩砜?,模擬電源仍占據主導地位,特別是在不需要額外數字控制功能的應用中,模擬電源及芯片毫無疑問是首選。安森美的鄭兆雄直言,領先的高性能、高能效電源方案供應商在模擬電源領域也不斷創新,包括以創新的電源架構來配合提升電源能效,應對更加嚴格的能效要求,使模擬電源在未來仍有極廣闊的發展空間。MAXIM的Jon Day則表示,目前對于數字和模擬控制方案的對比大多集中在性能方面,但應該看到模擬方案在成本上仍然有一定的優勢。不過隨著數字電路轉向更小的尺寸,這種情況將會發生逆轉。數字方案的主要優勢在于遠端控制的靈活性以及簡潔的控制架構——無論在用戶級還是系統管理級。

    當然,作為新技術出現的數字電源,必然有其自身的優勢才具有了挑戰模擬電源的可能。以數據中心為例,如果數字電源設計正確,就可以降低數據中心能耗、加快產品上市、具備卓越的穩定性和瞬態響應、并在諸如網絡設備中提高系統總體可靠性。網絡設備的系統設計師需要提高系統的數據吞吐量和性能,并增加功能。同時,還有一種壓力,就是降低系統總體功耗。數據中心面臨的挑戰是,通過重新安排工作流程,并將作業轉移到未得到充分利用的服務器上以使其他服務器能停機,來降低總體功耗。為了滿足這些要求,有必要知道最終用戶設備的功耗。恰當設計的數字系統可向用戶提供功耗數據,允許做出智能能源管理決策。

    Tony Armstrong的觀點中,數字電源系統管理的一個主要好處是,設計成本降低,且產品能更快上市。采用一種具直觀圖形用戶界面 (GUI) 的綜合開發環境可高效地開發復雜的多電源軌系統。另外,此類系統還可通過該 GUI 實現變更 (取代了“白線”安裝焊接法),從而簡化了線路內測試 (ICT) 和電路板調試。另一個好處是,由于有實時遙測數據可用,所以有可能預測電源系統故障,并采取預防措施。也許最重要的是,具備數字管理功能的 轉換器使設計師能開發“綠色”電源系統,在負載點、電路板、支架甚至安裝階段,以最低限度的能源使用量,達到目標性能 (計算速度、數據傳輸速率等),從而在產品的壽命期內,降低基礎設施成本和總體擁有成本。

    王劍從模塊的角度分析了數字電源的走俏。制造商喜好使用模塊解決方案,因為相比分立解決方案,模塊解決方案具有數項優勢。首先,模塊方案有助于提高系統的可靠性和效率。許多成套設備開發人員在設計功率部件和柵極驅動電路時遇到了困難,因其布局周邊是非常敏感的。而模塊解決方案在設計中考慮了這些因素,以期減小雜散電阻/電感并優化開關特性,這可以通過優化硅晶片安排及縮短引線粘接長度來實現。其次,模塊方案能夠簡化成套設備的設計和制造過程。最近,瞄準家用電器的低成本模塊產品集成了某些不可缺少的外設,如 Bootstrap 二極管和NTC熱敏電阻,以及具有較低熱阻的隔離基底材料,能夠簡化裝配過程并提高散熱性能。

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