守望绿色(1)

凌力尔特公司电源产品部产品市场经理Tony Armstrong

　在很多大功率系统中，空间和冷却系统的成本都很高。因此，就任何负载点（POL）转换器而言，做到紧凑、高效率并具有低静态电流以满足新的“绿色”标准都是极为重要。另外，很多微处理器和数字信号处理器（DSP）都需要一个内核电源和一个输入/输出（I/O）电源，这些电源在启动时必须排序。设计师们必须考虑在加电和断电操作时内核和 I/O 电压源的相对电压和时序，以符合制造商的性能规格要求。没有恰当的电源排序，就可能出现闭锁或过大的电流消耗，这有可能导致微处理器 I/O 端口损坏，或存储器、可编程逻辑器件（PLD）、现场可编程门阵列（FPGA）、数据转换器等支持性器件的 I/O 端口损坏。

　　在高性能、大功率电源设计不断需要更多功率的同时，它们在可用电路板空间上却越来越受到限制。此外，功率密度给电源设计师带来了极大的挑战，不管设计师经验是否丰富都一样。一般情况下，要求这些电源设计具有高于 90% 的转换效率，以限制电源的功耗和温度。因此，电源设计的热性能尤其重要，因为只有很小的空间用来散出 DC/DC 电源转换损耗产生的热量，空气流动也有限。另外，这些电源必须有卓越的输出纹波和瞬态响应特性，同时还要限制所需外部电容量，以减小电源设计的总体尺寸。

　　在美国，仅“服务器市场”消耗的电能就足够让 5 个巨型发电厂日夜不停地运转。此外，IDC 最近发布的一份研究报告估计了全球由于计算而使用的电能，从这份报告可以推断出，2005年，美国服务器市场消耗的电能是美国所发总电能的 1.2%，供电公司因这些电能消耗而进账 27 亿美元。从这些数据很容易理解，仅在美国，在这样的电量消耗水平上，每年节省 1% 的电能就可能节省 2700 万美元。

　　这个热门问题已经成为全球关注的焦点。自上世纪 90 年代中期以来，凌力尔特公司推出了很多同时具有高效率转换和低静态电流的电源管理集成电路。凌力尔特公司的很多电源管理集成电路采用了已获专利的突发模式（Burst Mode®）技术。这种技术最大限度地降低了集成电路在备用模式时自身所需的电流。在很多情况下，这种备用静态电流低至 10uA 至 20uA。LTC3548、LTC3410、LTC3801 和 LTC3827 都是这类具低静态电流的产品。

　　凌力尔特公司面向“绿色”电源系统的产品具有很多独特的性能优势。例如，我们已经推出了适用于总线转换器应用的集成电路，如用于实现同步正向转换器的多相（PolyPhase®）副端控制器 LTC3706。当与凌力尔特公司的栅极驱动器和主端控制器 LTC3705 一起使用时，两个器件组合形成了一个完整的隔离式电源，这个隔离式电源兼有多相工作的优势和副端控制的速度。LTC3706 简化了高效率、副端正向转换器的设计。LTC3705 和 LTC3706 形成了一个坚固和自启动的转换器，无需副端控制应用中常用的独立偏置稳压器。此外，一个专有电路通过单个纤巧型脉冲变压器对栅极驱动信号以及隔离势垒两端的直流偏置电源进行多路转换。
此外，系统设计师要克服的一个巨大障碍是器件在低功率或备用模式时的功耗，因为这时仍然从电池吸取电流。相应地，自上世纪 90 年代中期以来，凌力尔特公司已经制造出很多同时具有高效率转换和低静态电流的电源管理集成电路。凌力尔特公司的电源管理集成电路采用了已获专利的突发模式（Burst Mode）技术。这种技术最大限度地降低了集成电路在备用模式时自身需要的电流。在很多情况下，这种备用静态电流低至 16uA。LTC3548、LTC3410 和 LTC3801 都是这种低静态电流产品。

　　凌力尔特公司为便携式电源管理应用提供的产品有很多优势，其中包括：高开关频率（高达 8MHz）、在轻负载和满负载时高效率转换（高达 96%）、在备用模式时有非常低的静态电流（低至 9uA）、高集成度（如集成 MOSFET 和肖特基二极管）。体现这些优势的一个例子是凌力尔特公司最近推出的多输出同步降压型稳压器系列，这个系列的器件可组成非常紧凑的高效率解决方案。我们来看一个采用单节锂离子电池（VBATT 启动时为 4.2V，然后降至 2.7V）的应用，该应用的 DSP 内核以及 I/O 和存储器电源需要 1.2V、1.5V、1.8V 和 0.8V 轨。采用 3mm x 3mm QFN 封装的单片 LTC3544 可以满足所有这些电压需求，该器件采用一个输入电容器，其解决方案的占板面积不到由 4 个单输出同步降压型稳压器组成的解决方案的 1/3。

　　另外，大多数由电池供电的手持式产品采用专用集成电路（ASIC 或 PMIC）来满足电池充电、电源通路控制、提供多个电源电压以及真正输出断接和准确 USB 限流等保护功能，这是事实。采用这种方法的理由很明显，可以用单个器件满足所有电源管理需求。

　　不过，这种方法也有一些缺点。首先，ASIC 是用特殊芯片制造工艺制造，很难最大限度地提高上述每项功能的性能。其次，从订货到交货的时间很长，这与 ASIC 的定义和开发有关，但这一点在要求短的动态设计周期的当今时代变得更加重要了。就电源管理 ASIC 而言，常见的是，从概念到交付需要花两年或更长时间。在当今时代，特定产品的设计需求在这么长时间内可能已经变化 3 次或更多次了。

　　凌力尔特公司已经采取了不同的方法，开发出了新的集成电路产品线，这些集成电路“集成了重要功能”，在由电池供电的便携式产品中克服了所有难题。大多数由电池供电的手持式产品通常由交流适配器、通用串行总线（USB）电缆或锂离子/聚合物电池供电，管理这些电源之间的电源通路是一个巨大的技术挑战。直到最近，设计师们一直试图用大量 MOSFET、运算放大器和此类器件以分立方式实现这一功能，但是面临着热插拔、大浪涌电流等大量问题，这些问题会引起严重的系统问题。

　　大多数由电池供电的手持式产品的特性和功能存在共同之处，在这类应用中可以使用集成了重要功能的 PMIC，而不会导致通常与用单一芯片制造工艺制造集成电路有关的性能折衷。凌力尔特公司最近面向这一领域推出了下一代产品 LTC3555，性能和功能进一步得到提高。

　　根据大多数市场调查公司的数据，2007年电源管理半导体芯片的全球市场收入将达到 270 亿美元。其中，亚太（包括中国）市场的收入将达到约 100 亿美元。这使得中国成为重要地区，这不仅体现在生产上，而且体现在中国作为最终市场的重要性不断提升上。另外，美国半导体行业协会（SIA）预测，在 2007年，全球模拟半导体芯片市场规模将达到约 430 亿美元，其中高性能器件将占相当大部分。这些数字背后的市场驱动力量主要是蜂窝电话、智能电话、媒体播放器、数码相机、数字媒体广播（DMB）系统和个人导航设备（PND）等由电池供电的手持式产品，它们需要较长的电池工作时间和多种电源电压。