节能：有条件的自我救赎

便携产品的挑战

　　手持消费电子产品现在越来越迈向各种电子设备中为耗电量第一大户，现在的便携式产品集成的功能越来越多，产品性能越来越高，彩色LCD屏幕尺寸越来越大，而消费者对产品外形及体积要求更轻更薄，同时还要兼具更长的续航时间。这些日益增长的需求为便携式移动设备的电源管理系统带来严峻的挑战：电池能量密度的提高速度远远跟不上复杂度不断提高的便携式设备的功耗要求。此外，对于手持类消费电子产品，待机功耗是一个重要指标。像手机、平板电脑等产品，大多数时间都处于待机状态，如何节省待机状态下的功耗将会影响产品的续航能力。

　　富士通半导体王韵预计电源管理(PMU)自身的待机功耗将在2年内降到现有的1/10- 1/20。在效率方面，富士通在电源管理产品中加入了智能控制，能通过核心器件的控制对电源系统进行动态的管理，使系统的能耗始终处于高效率低功耗的状态。特别是在手机应用中，随着智能手机的大屏化和处理器性能提升，智能机已经很难像以前功能机一样实现超长待机。一般来说应用处理器(AP)中每个核需要电流1A左右。4核手机的话，就需要高达4A的电流支持。这对于手机上的PMU来说，就需要考虑在保证高效率的前提下，如何实现大电流供电和降低芯片面积将会非常关键。

　　王韵还强调，未来的便携设备中的电源产品要往开源节流的方向发展，一方面对系统电源进行快速多样的补充，比如使用快充的方式给电池充电，或太阳能动能等辅助充电;另一方面想办法减少系统功耗，比如使用动态智能控制，减少不必要的消耗。这样一来，对于便携式设备的应用，怎样提高系统性能的同时又保证芯片的面积将是电源产品发展的一大难点。　　

凌力尔特Tony Armstrong详细分析了这个市场的需求，便携式电源应用市场广泛且多样化。产品包括平均消耗微瓦级功率的无线传感器节点、配备数百瓦/时电池组且放置在小推车上的医疗或数据采集系统等。不过，尽管种类很多，但还是有几种共同的趋势，即设计师不断需要产品提供更大的功率，以支持越来越多的功能，并需要用任何可用电源给电池充电。第一个趋势需要增大电池的容量。不幸的是，用户常常不耐烦等太长时间，因此要提高容量，电池就必须在合理的时间内充完电，这就导致充电电流增大。第二个趋势需要电池充电解决方案提供非常大的灵活性。

　　考虑一下新式手持设备，面向消费者的设备和工业设备可能包括蜂窝手机调制解调器、Wi-Fi 模块、蓝牙模块、大型背光照明显示器……这个组件清单还可以包括很多内容。很多手持式设备的电源架构与蜂窝手机类似。一般情况下，将一个 3.7V 锂离子电池作为主电源使用，因为这类电池有较高的单位重量 (Wh/kg) 和单位体积 (Wh/ m3) 能量密度。过去，很多大功率设备使用 7.4V 锂离子电池，以降低电流要求，但是低价 5V 电源管理 IC 面世以后，越来越多的手持式设备转向了电压较低的架构。平板电脑很好地说明了这一点，一个典型的平板电脑包括各种重要功能和非常大 (就便携式设备而言) 的显示屏。当用 3.7V 电池供电时，容量必须达到数千毫安-时。为了在几个小时内给这样的电池充完电，需要数千毫安的充电电流。

　　不过，问题还不仅限于大的充电电流，如果没有大电流交流适配器可用，那么消费者还想用 USB 端口给大功率设备充电。为了满足这种需求，当交流适配器可用时，电池充电器必须能以大电流 (>2A) 充电，同时仍然能高效率地利用 USB 端口提供的 2.5W 至 4.5W 功率。此外，产品需要保护敏感下游低压组件免受可能的损坏及导致过压事件，并将大电流从 USB 输入、交流适配器或电池无缝地引导到负载，同时最大限度地降低功耗。这为电池 IC 制造商创造了绝好的机会，使他们有机会开发可安全地管理电池充电算法并监视关键系统参数的 IC。

　　安森美半导体郑兆雄则指出，电源技术仍在不断地发展之中，不断地提升能效、提高可靠性及减小尺寸等，那些同时能够满足设计人员更多设计目标的产品及技术，就更能受到设计人员的青睐，也更有能力改变电源市场格局。便携电子设备设计人员须满足消费者对更多功能、更长电池使用时间、更薄更轻外形的需求。智能手机及平板电脑极重视能效及功率密度，因此须创新型新方案以配合复杂的使用需求。此外，这些产品的出现也推动由传统计算机键盘及鼠标接口模式迈向新的触摸及语音接口模式。这就为带手势识别的先进多点触摸接口产品及直觉型语音接口带来了商机。安森美半导体的高能效电源及接口方案、宽广阵容的保护器件及先进的微封装方案符合未来便携设备的需求。

　　ADI张洁萍认为，便携式移动设备的电源管理系统应致力于以下几个方面：第一，电源管理系统中最根本的问题：如何提高电源效率。第二，平衡效率与尺寸。提高频率可以使用较小的电感，这样可以有效的减少PCB面积。但提高频率的同时，也会降低系统的效率，所以在工作频率和PCB面积间需要找到一个合理的平衡点。第三，RF和音频线路则要求电源管理系统具有更低的噪音和更高的隔离。

　　由于设计人员和技术人员正在将硅性能推向物理极限，所以，进一步提高性能变得更为复杂，并且成本高昂。在某些情况下，以更小能耗实现更高功率密度，同时减小系统尺寸、复杂程度，并降低成本，需要采用新技术或者新材料制造组件。IR公司潘大伟介绍，IR基于GaN(氮化镓)的功率器件技术平台就是一个很好的例子，将引领电源设计走向新的高能效时代。与先进的硅基技术平台相比，基于GaN的功率器件技术平台——GaNpowIR，将能使关键应用的优值系数(FOM)提高10倍。IR将能提供的一些重大优势包括，通过专为大批量生产而设计的流程将能确保业界领先的质量、供货保证和成本结构。

迎接挑战

　　电源技术仍在不断地发展之中，不断地提升能效、提高可靠性及减小尺寸等，那些同时能够满足设计人员更多设计目标的产品及技术，就更能受到设计人员的青睐，也更有能力改变电源市场格局。

　　郑兆雄认为，要提升电源工作效率，一个重要手段是降低PFC段的功率损耗，故采用高能效的PFC控制技术至关重要。而在一些对外形因数有严格要求的应用中，如纤薄型液晶电视或笔记本适配器等，更对PFC控制器及外部元器件高度有着严格要求。在这些应用中，可以采用交错式PFC技术来帮助满足设计要求。所谓交错式PFC，是在原本单个较大功率PFC段的地方并行放置2个功率为其一半的较小功率PFC段来替代。这两个功率较小的PFC段以180°的相移交替工作，总输入电流(IL(tot))和输出电流(ID(tot))纹波都将大幅降低。交错式PFC更易于设计、便于采取模块化途径、散热更好，且支持使用尺寸更小的外部元器件，从而利于纤薄设计。安森美半导体不仅推出采用2颗NCP1601控制器的分立式交错PFC方案，更推出了单芯片2相交错式PFC控制器NCP1631，替代2颗NCP1601，驱动2个PFC支路，提供接近1的高功率因数。NCP1631可以实现同样的低高度设计，适合任何需要PFC的脱机式应用，尤其是纤薄平板电视。