電源管理芯片應用|推動(dòng)技術(shù)創(chuàng )新（二）

　　在半導體產(chǎn)業(yè)調整進(jìn)程中成功的關(guān)鍵就是銷(xiāo)售出半導體公司及其技術(shù)的獨特價(jià)值，如提供成套解決方案以及為客戶(hù)提供出色的技術(shù)支持等。身為全球領(lǐng)先的電源管理半導體供應商，安森美半導體在為客戶(hù)提供成套解決方案及出色客戶(hù)服務(wù)方面擁有豐富的經(jīng)驗和突出的優(yōu)勢。

　　展望中國電源管理市場(chǎng)未來(lái)幾年的發(fā)展，我們認為消費電子(如液晶電視和白家電)以及電信等應用領(lǐng)域可為電源管理IC帶來(lái)廣闊的發(fā)展空間。安森美半導體提供高性能的解決方案，用于這些領(lǐng)域。

　　美信集成產(chǎn)品公司

　　新型封裝技術(shù)提升LDO性能

　　不同的系統對電源有不同的要求，為了發(fā)揮系統的最佳性能，需要選擇最適合的電源管理方式，比如線(xiàn)性電源、開(kāi)關(guān)電源及電荷泵等。三種電源轉換器中，線(xiàn)性穩壓器的局限性表現在其輸出電壓只能低于輸入電壓；開(kāi)關(guān)電源最為通用，能夠提供升壓、降壓以及極性相反的輸出；電荷泵同樣可提供升壓、降壓、極性相反的輸出，但其輸出電流有限。

　　線(xiàn)性穩壓器利用一個(gè)有源調整元件(雙極型晶體管或MOSFET)將輸入電壓降低至穩定的輸出電壓，其中低壓差線(xiàn)性穩壓器(LDO)在最近幾年的應用已經(jīng)十分廣泛。壓差指維持輸出穩定所需要的最小電壓差(輸入和輸出之間)，壓差在1V以?xún)鹊恼{節器稱(chēng)為L(cháng)DO，但現在典型的調節器具有100mV至300mV的壓差。線(xiàn)性穩壓器的輸入電流接近于輸出電流，可以用輸出電壓與輸入電壓的比估算它的效率。如果輸出電壓非常接近輸入電壓，線(xiàn)性穩壓器就可提供較高的轉換效率，如果輸入電壓高出輸出電壓很多，或者它在很寬的范圍內變動(dòng)，就很難獲得比較高的轉換效率。線(xiàn)性穩壓器具有小尺寸、低成本、低噪聲等特點(diǎn)，而且使用非常簡(jiǎn)單，因此，在電壓、電流條件適當時(shí)應盡可能選用線(xiàn)性穩壓器。除此之外LDO還可作為一道屏障來(lái)隔離開(kāi)關(guān)調節器產(chǎn)生的噪聲，這時(shí)，LDO的低壓差特性有利于改善電路的總體效率。

　　與線(xiàn)性穩壓器相比，開(kāi)關(guān)電源占用更大的電路板面積(不考慮線(xiàn)性穩壓的散熱片)，成本更高，所產(chǎn)生的噪聲也較大。而在最近幾年開(kāi)關(guān)電源的普及率卻大大提高了，其主要原因是開(kāi)關(guān)電源在不同輸入電壓、不同負載電流條件下能夠提供很高的轉換效率，升壓、降壓型開(kāi)關(guān)電源效率可達96%，當然，降壓型開(kāi)關(guān)電源的轉換效率可能更高一些。用電荷泵同樣可實(shí)現上述轉換，但該類(lèi)芯片所能提供的負載電流有一定的局限性。LDO的主要缺陷是效率較低，特別是為低壓電路供電時(shí)效率問(wèn)題更加突出。由于在新型手機內部集成了PDA功能或上網(wǎng)功能，要求處理器的數據處理能力、運算能力更加強大，為了降低功耗，處理器的核電壓不斷降低，從1.8V降到了0.9V。為了降低電池損耗，要求采用高效的降壓型轉換器為處理器核供電。設計中需要考慮的主要因素有：低成本、小尺寸、高效率、低靜態(tài)(待機)電流和快速瞬態(tài)響應。為解決上述問(wèn)題不僅需要豐富的模擬設計經(jīng)驗，還需要一定的獨創(chuàng )能力。就目前來(lái)說(shuō)，只有少數領(lǐng)先的模擬半導體制造商能夠提供SOT23封裝、具有1MHz以上開(kāi)關(guān)頻率、允許選用微小外部電感和電容元件的降壓轉換器。

　　當前，很多產(chǎn)品(如手機、數碼相機等)傾向于將電源管理功能集成在單芯片上，用于射頻、功放的LDO和用于LED驅動(dòng)的DC-DC電源的功能都可以在同一塊PMIC(電源管理集成電路)中得以實(shí)現。

　　多年以來(lái)，SOT23封裝的150mALDO是分立電源的最佳選擇。目前，一些IC采用新型封裝、新型亞微米處理工藝和先進(jìn)的設計方案，能夠以更小的尺寸提供更高的性能。SOT23封裝的LDO可以提供300mA輸出電流或在SOT23封裝內集成兩路150mALDO；尺寸更小的SC70封裝內可以集成120mA的LDO并提供超低噪聲。此外，更為先進(jìn)的芯片級封裝提供最小的封裝尺寸，而QFN封裝則允許在3mm×3mm面積內裝入最大的晶片尺寸并提供更高的導熱能力。因此，QFN封裝可以集成更高電流的LDO或在每封裝中集成更多數量的LDO，從而縮小了分立方案與PMIC之間的差異。

　　凌力爾特公司電源產(chǎn)品部產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理TonyArmstrong

　　集成電源管理功能降低市場(chǎng)風(fēng)險

　　線(xiàn)性低壓差穩壓器被認為是形式最簡(jiǎn)單的穩壓器，由于其固有DC電壓轉換的原因，它只能把輸入電壓降至一個(gè)較低的數值。它最為明顯的缺陷在于其熱管理性能方面，原因是其轉換效率可以被近似為輸出電壓與輸入電壓之比。例如：假設一個(gè)可從單節鋰離子電池的3.6V標稱(chēng)電壓來(lái)提供1.8V輸出電壓(在200mA電流條件下)的LDO，用于驅動(dòng)一個(gè)圖像處理器，轉換效率僅為50%，因而在蜂窩電話(huà)的內部產(chǎn)生了熱點(diǎn)，并縮短了電池的運行時(shí)間。雖然在輸入和輸出電壓相差較大時(shí)會(huì )出現上述情形，但在該電壓差很小的時(shí)候，情況就不是這樣了。例如：當從1.5V降壓至1.2V時(shí)，轉換效率將為80%。

　　線(xiàn)性穩壓器在輸入和輸出之間的差分電壓很高時(shí)所存在的所有效率缺陷，開(kāi)關(guān)穩壓器都成功地避開(kāi)了。通過(guò)采用低電阻開(kāi)關(guān)和一個(gè)磁性存儲元件，它實(shí)現了高達96%的效率，從而大幅度地降低了轉換過(guò)程中的功率損耗。通過(guò)工作于高開(kāi)關(guān)頻率(>2MHz)，可以極大地縮減外部電感器和電容器的外形尺寸。盡管如此，開(kāi)關(guān)穩壓器的缺點(diǎn)卻較少，而且常�？梢岳�用上佳的設計方法予以克服。

　　線(xiàn)性穩壓器和傳統型開(kāi)關(guān)穩壓器的折中方案是充電泵。當采用充電泵時(shí)，外部存儲元件是電容器，而不是電感器。由于沒(méi)有電感器，因此將緩解有可能干擾敏感的RF接收器或藍牙芯片組的任何潛在電磁干擾問(wèn)題。不過(guò)，潛在的不足之處是有限的輸入/輸出電壓比和有限的輸出電流能力。

　　因此，對于設計師而言，是選擇線(xiàn)性穩壓器還是開(kāi)關(guān)穩壓器并不是一件可以簡(jiǎn)單決定的事情。要做出這個(gè)決定，將不得不考慮諸多的因素，例如噪聲問(wèn)題、空間約束條件、轉換效率和熱考慮。幸運的是，目前市面上已經(jīng)有了眾多不同類(lèi)型的穩壓器，于是，所有設計師必須完成的工作就是根據其獨特的系統約束條件進(jìn)行抉擇。這些工作是按照常規程序進(jìn)行的。

　　許多電源管理芯片廠(chǎng)商所開(kāi)發(fā)的規模龐大且復雜的電源管理IC常常是專(zhuān)為某家單一大客戶(hù)而定制的，凌力爾特公司認為，這種方法需要在性能上做出某些讓步，并會(huì )由于開(kāi)發(fā)周期漫長(cháng)而蒙受巨大的商業(yè)風(fēng)險，這樣的策略與我們所服務(wù)的瞬息萬(wàn)變的市場(chǎng)是不相適應的。

　　凌力爾特采取了一種不同的方法，并開(kāi)發(fā)出了一個(gè)新的IC產(chǎn)品線(xiàn)，該產(chǎn)品系列實(shí)現了“有意義的集成”，旨在整合電池供電型便攜式設備中所有難以實(shí)現的功能。大多數電池供電型手持式產(chǎn)品一般均能夠從一個(gè)AC適配器、一根通用串行總線(xiàn)(USB)電纜或單節鋰離子/鋰聚合物電池來(lái)供電；然而，對這些電源之間的電源通路控制進(jìn)行管理卻提出了一項重大的技術(shù)挑戰。直到最近，設計師們一直試圖采取“分立”的方式來(lái)執行該功能，但其間遇到了有可能引發(fā)重大系統問(wèn)題的熱插拔和大浪涌電流等可怕的難題。

　　顯然，在大多數電池供電型手持式產(chǎn)品內部存在著(zhù)共同的特點(diǎn)和功能，可采用實(shí)現了“有意義集成”的PMIC，而不會(huì )出現因為采用單一晶圓生產(chǎn)工藝來(lái)制造IC導致的常見(jiàn)性能折中。凌力爾特公司近期推出了該門(mén)類(lèi)中的下一代產(chǎn)品——— LTC35xx系列，該系列代表了面向這些應用的全新器件性能和功能水平。

　　TDK(中國)投資有限公司營(yíng)業(yè)促進(jìn)部經(jīng)理富田裕文

　　力求產(chǎn)品小型化以減少耗電

　　電源電路技術(shù)屬于模擬電路技術(shù)，其方向性與數字技術(shù)不同。數字技術(shù)的處理電壓為低電壓，不容易受安全規格等的制約，容易實(shí)現集成化；而電源電路的輸入電壓為交流100V～240V，在安全要求方面，由于受到沿面距離(爬電距離)的規定制約和干擾方面的規定限制，難以實(shí)現集成化。

　　另外，電源管理電路成本要求較高，所以多數人并不愿意接受隨意實(shí)行集成化的要求。但由于機器小型化的需求絲毫不減，目前已經(jīng)實(shí)現了IC(集成電路)和FET(場(chǎng)效應晶體管)的一體化。從裝配角度而言，作為SMD(表面貼裝)的部件，在鋁電路板上需要裝配部件，用樹(shù)脂固型，繞線(xiàn)，電容、半導體、電阻等部件的集成化成了必然的趨勢。

　　一般說(shuō)來(lái)，為實(shí)現小型化，開(kāi)關(guān)電源電路的高頻率化是發(fā)展方向，但存在干擾、效率差等難以突破的難題。特別在變壓器必須高頻率化的前提下，在研討電源控制芯片的小型化時(shí)，必須和變壓器廠(chǎng)家協(xié)商好。

　　電源電路中使用具有壽命極限的電解電容器。電解電容器容易受熱的影響，需要采用不易受熱源影響的配置。目前正在采用3DCAD(三維計算機輔助設計)和熱模擬器技術(shù)，以指導研制出更好的配置，并將其實(shí)現產(chǎn)品化。

　　關(guān)于變壓器，TDK公司正在致力于小型化、薄型化的新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。TDK正著(zhù)手改良磁芯的材質(zhì)、研討薄型產(chǎn)品構造，改善發(fā)熱現象的負面影響，并對產(chǎn)品進(jìn)行綜合評估，整體推動(dòng)開(kāi)發(fā)的進(jìn)程。今后，為了實(shí)現開(kāi)關(guān)電源的小型化，越來(lái)越需要將熱分析、裝配配置等作為考慮的因素。

　　TDK擁有鐵氧體這種材料，可實(shí)現從材料到生產(chǎn)出變壓器成品�，F在，TDK公司正在開(kāi)發(fā)各種用途的鐵氧體材料，針對不同的用途，提供各具特色的產(chǎn)品。特別是在平板電視中使用了諧共振電路，電力浪費較少(低發(fā)熱)的磁芯材料有望發(fā)揮其應有的功能。公司雖然擁有PC47材質(zhì)，但為了進(jìn)一步減少電力損失，正在謀求把傳統的EER35形狀的產(chǎn)品尺寸縮減成EER28L尺寸，以期在小型化方面進(jìn)一步拉開(kāi)與其他產(chǎn)品的差距。

　　隨著(zhù)變壓器生產(chǎn)發(fā)展到自動(dòng)化繞線(xiàn)階段，產(chǎn)品的特性差異逐步縮小。通過(guò)自動(dòng)化技術(shù)，可實(shí)現產(chǎn)品的穩定供給，減少了人為因素對品質(zhì)和成本方面造成的影響。

　　TDK是針對變壓器的特性要求進(jìn)行產(chǎn)品設計的，所以構筑起一種體制，就是面對所有顧客都一律確保在較短交貨期內提供設計上達到最佳性能的變壓器產(chǎn)品，并提供設計對應服務(wù)和包括電路方面的支援服務(wù)體制。