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积极发展通用型电源管理解决方案
 

【作者: Intersil Corporation】2011年08月01日 星期一

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电源管理的种种进展,并非在一夕之间发生,而是经过二十年的努力才能有如此显著的进步。例如,仅仅在大约六年前,许多板卡端设计工程师的选择仍是线性稳压器,因为它们的使用很简单,而且不太需要专业的电源设计技术,再加上线性元件的低成本。因此,在选择稳压器时,线性稳压器的简易特性使其成为普遍的选择,而交换式稳压器则是被归类用于需要更高效率的高输出负载。


今日,则有许多因素让交换式稳压器的使用更为普及,并应用于许多新兴领域。首先,由于具有更佳的功率散逸特性,因此不再需要采用特别的电源封装和散热装置,进而能减少整体复杂度及成本。第二,对于现在的系统设计师而言,电源预算管理变得极为重要,因此在选择最佳的解决方案时,效率已成为主要的考量因素,而电源管理正是交换式稳压器的强项,特别是在需要更高负载的情况下。第三,在过去数年间,交换式稳压器的成本已有所下降,而半导体制程技术的快速进展造就了更高的整合度,进而能大幅缩减晶片尺寸。


现今许多交换式稳压器都具有整合在单一封装中的PWM(脉冲宽度调变)控制器、FET(场效电​​晶体)驱动器及功率型FET。这正是交换式稳压器得以普及的第四个因素,更高的整合度能大幅增加切换频率,如此一来,外部电感及电容的尺寸便得以大幅缩减,而最终的结果便是更小的电路板面积。


第五个因素则是「易用性」的增加。透过内部补偿的交换式稳压器,设计人员不再需要执行冗长繁琐的复杂计算,才能决定构成高效率和稳定控制回路的最佳外部元件。今日,设计人员可以简单地从一组参数中选择输入与输出电容,以及输出电感。由于交换式稳压器的简易性,一般的设计人员可以利用其所能提供的更高电源效率,达到更少的散热并得到最大的输出功率。更佳的散热、更高的效率、更低的成本、更高的整合度、更高的交换频率及这些特性所造就的更小电路板面积,再加上简单易用的特性,都让交换式稳压器成为线性稳压器之外另一个颇具吸引力的选择。在某些特定情况中,线性稳压器仍是最佳的选择,然而对系统设计师而言,交换式稳压器的确已是较受欢迎的解决方案。


另一个关于功率调节的进展则是具备高度可程式特性的宽范围电压输入(Vin)多组输出电源解决方案的采用。今日,越来越多的系统必须具备多个电压源,以支援电路板上不同的半导体元件。多输出电源解决方案正足以满足此需求,ISL6442便属于此类产品,它在单一封装中整合两个PWM控制器及一个线性控制器,具有4.5V至24V的宽电压输入范围。其交换频率为可调设计,范围从600 kHz 至2.5MHz,具有三种可调整的输出,如此便能使用较小的输出电感。其他的整合特性包括软启动、电压监测、排序、电压追踪和PGOOD输出。此整合性让设计人员可以节省电路板空间,宽电压输入则让设计人员仅需透过「复制、贴上」的设计便可使用于多种应用和平台上,能够进一步节省开发成本。


随着数位电源的出现,我们现在又更进一步接近了通用型可程式交换稳压器。虽然数位控制电路仍未获得大众市场的验证,然而,除了能提供数位可程式化参数外,数位控制电路可以达到的稳定效能已相当接近类比电路的稳定性。藉由数位介面的运用,电源设计人员可以快速且轻松修改数位电源整合电路的数位参数,以调整及微调电路补偿、先进故障防护和监测、排序及启动相关的参数,如此便能提升稳压器的效能并增加保护和稳定性。奠基于图形使用者(GUI)介面的软体工具让电源设计人员能以一种简单的方式进行数位程式化的工作。在数位电源出现之前,只有两种人能利用这样的弹性和控制性,一是设计阶段的晶片设计人员,另一则是彻底了解外部补偿电路的优异电源工程师。


此种藉由数位介面所提供的弹性和可程式性,让设计人员得以开发出通用型电源解决方案,经由程式设计出符合各种平台所需的特定参数。单一通用型电源解决方案的使用将能简化并加速系统设计周期,同时还能降低元件数目和成本。


随着更精密的电源半导体制程(0.25 um和更小)以及功率封装的进步,电源供应晶片制造业者现在已能结合高密度逻辑和电源FET来创造出更具成本效率、更高整合度及可程式化的电源解决方案。此类解决方案可以结合可提供高电流(2A-20A)的各种电源级,并能利用数位可程式控制器接受宽电压输入(4.5至36V)。这种结合将产生极具弹性的电源管理解决方案,能被广泛应用且符合大部分系统的需求。


结果为何呢?就是一个通用型、宽输入电压的交换式同步稳压器,其具备高度可程式化的特性,包括交换式频率、遥测参数、输出电压、线路负载、排序和控制电路参数等。应有尽有,我们缺少的就只有语音辨识指令这个功能了。


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