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電源應用無所不在,可以說有電器的地方就有電源。和以前笨重的變壓器穩(wěn)壓源相比,如今電源技術已有了很大的飛躍。目前電源應用發(fā)展的趨勢可以用“兩高兩低”來形容,即增高功率密度、提高電源轉換效率、縮小器件體積、減少熱量散發(fā)。最近本刊編輯到硅谷對幾家知名半導體公司進行了采訪,發(fā)現(xiàn)他們在不同的領域又朝著上述目標前進了一大步。
移動電話電源管理更加簡化
目前很多移動電話都把充電電路直接裝入手機內(nèi)部,如何將這一部分應用做到功耗更低體積更小,一直是手機制造商們追求的目標。在訪問Linear Technology公司時,該公司展示了他們針對這種需求的新一代脈沖式電池充電控制器及其應用方案。
和以往的開關式或線性充電器相比,脈沖式充電器的好處在于它散熱量少、器件體積小,而且只需很少的外圍元件,因此更適合于做在手機的內(nèi)部。以Linear Technology剛推出的LTC1730為例,它在快速充電模式下,通過內(nèi)部功率FET導通使輸入電壓下降,使外部穩(wěn)壓器進入限流狀態(tài),從而降低了器件本身的功耗；當電池充到接近預定電壓時,內(nèi)部FET又會轉入脈沖工作方式,直到可編程定時器計時終止。電池充滿以后,充電控制器的一個管腳還會發(fā)出指示信號驅動LED顯示以提醒用戶。該器件的輸出電壓可通過引腳選擇或,誤差不超過1%。在沒有充電時,它會自動進入睡眠模式,電流消耗低于1uA。使用這種器件還有一個好處就是當輸入電壓對地發(fā)生短路時沒有反向FET電流,這樣就不需要用到外部肖特基二極管,從而進一步減少外圍元件的數(shù)量。
電壓調(diào)整也是移動電話電源管理的重要組成部分之一,隨著工作電壓越來越低,DC/DC轉換器的優(yōu)點也越加明顯。Linear Technology的LTC3401是一種高效固定頻率升壓轉換器,其工作電壓可以小于1V。這種器件的工作頻率由外部電阻設置,最高可達3MHz,并能與外部時鐘保持同步。它的輸入電壓范圍很寬(從到5V),輸出可在和5V之間進行調(diào)節(jié),其額定開關電流為1A,靜態(tài)電流只有38uA,效率高達97%。
調(diào)壓器向低噪聲低壓差方向發(fā)展
Burr-Brown公司于2000年8月被德州儀器公司收購,使其模擬技術在原有基礎上又得到進一步增強。最近該公司利用DMOS工藝技術,推出系列新型電壓調(diào)節(jié)器。DMOS技術的優(yōu)點在于其電氣性能穩(wěn)定,靜態(tài)響應快速,同時單位面積上的壓差很小。如用該技術制造的低噪聲調(diào)壓器REG103,壓差在滿載時僅有115mV,而且這種調(diào)壓器的工作狀態(tài)非常穩(wěn)定,甚至不需要用到外部電容。在輸出電流為500mA時,其對地電流僅1mA,非工作狀態(tài)時更低至。它的輸出噪聲很低,只有33uVrms,因此非常適合于用在便攜式通信設備上。其輸出電壓從到有多種選項,誤差不超過2%。
多相轉換器技術已日趨成熟
如今的計算機微處理器對電源要求越來越高,如Intel奔騰II處理器的工作電流需要在500ns內(nèi)從5A迅速升至30A,上升速率達50A/us。為了能使這類處理器正常工作,其DC/DC轉換器的負載瞬態(tài)響應必須非常快,同時還要保證體積小,并且具有準確及可編程等特性,以用在各種先進的便攜式電腦中。目前有很多家半導體廠商采用多相轉換器解決方案推出自己的產(chǎn)品,這種方式將任務先分解,使每相轉換器只承擔其中一部分任務,最后再把各相合起來達到總的要求。除了響應快速,多相方式的另一個好處是輸入紋波小,因而可節(jié)省輸入電容的成本。
在多相轉換原理基礎上,美國ON Semiconductor公司又開發(fā)出一種增強型V2控制技術。該技術在峰值電流模式下通過PWM控制,可保證各相之間電流分配平均,而且因負載發(fā)生瞬態(tài)變化而造成的輸出電壓變化能直接反饋到PWM比較器,這樣保證其瞬態(tài)響應迅捷快速,另外該技術還能提高控制環(huán)路的穩(wěn)定性,每相輸出電流均采用連續(xù)方式而非采樣方式進行監(jiān)測。該公司已推出可支持奔騰3及奔騰4處理器的系列多相控制器,最高工作頻率可達1MHz。在談到未來多相控制器發(fā)展趨勢時,該公司高級副總裁兼CMO/CTO Bill George介紹說,“今后的處理器所需電流將達到60～75A,普遍傾向于采用4相轉換器,開關頻率將在500kHz左右,同時在頻率更高或相數(shù)更多的情況下,相分技術(phase slice)必將會得到進一步發(fā)展。”
T類放大器漸成新寵
Hi-Fi發(fā)燒友們對各種甲類放大器、甲乙類放大器等等已是再熟悉不過了,這些放大器都是利用晶體管導通完成信號放大。但是用晶體管放大時變壓器兩端會產(chǎn)生壓降而散發(fā)出熱量,相應地增加了功耗,所以它們的放大效率都很低,通常不到50%。為克服這類線性放大器的低效率問題,電子工程師們又設計出開關式放大器,即我們常說的丁類放大器,它采用脈寬調(diào)制技術控制電路的開關,可將整個放大器效率提高到80%～90%。雖然這種放大器效率比較高,但它的放大效果卻不是太好,在音質(zhì)上又難以達到線性放大器的水平。
為了克服丁類放大器的這種缺點,美國Tripath Technology公司在開關式放大器基礎上,開發(fā)出了一種T類放大器,既滿足了效率方面的要求,同時也能達到高保真信號輸出。這種T類放大器雖然同樣屬于開關工作方式,但和普通丁類放大器不同,它采用的頻帶更寬,并含有帶預測及自適應功能的反饋系統(tǒng),可對開關的性能進行動態(tài)調(diào)整,根據(jù)輸入及負載特性而調(diào)整算法,使音質(zhì)達到高保真線性放大器效果。由于它的效率很高,因此散熱很少,大大節(jié)省了電能,而且也不需要龐大的散熱片或散熱風扇,縮小了最終產(chǎn)品的體積。
Tripath Technology利用該技術設計的芯片具有很高功率密度,在一個封裝內(nèi)最大可傳送1,000W的功率(2×500W),這樣就使得將功放部分直接設計到普通的VCD/DVD播放機中成為可能。如日本索尼公司最新推出的DVD播放機DAV-S300,其厚度不到100mm,但最大功率可達180W,采用三片Tripath雙通道TA2020提供6聲道輸出。它的最大特點是不再需要龐大笨重的功放,直接將音箱接到DVD機上就能享受到高質(zhì)量的環(huán)繞立體聲音響效果,從而節(jié)省了購買功放的昂貴費用。
Tripath Technology公司營銷副總裁Neal Carney先生介紹說,“除了家庭影院以外,T類放大器還可廣泛用于電腦多媒體系統(tǒng)、汽車音響、DSL線路驅動等多方面,為這些領域的應用提供高效率小型化功率管理解決方案。”
TOPSwitch-GX:關緊電源的龍頭
人們可能很少注意到,很多電器表面上似乎已經(jīng)關掉了,卻仍在不斷地消耗電能,如同一個沒有關緊的水龍頭。實際上有的電器在待機時消耗的電能甚至比工作時用掉的還多,另一個容易被忽視的是小型穩(wěn)壓電源,如果長期插在插座上其耗電量日積月累下來也絕不會是個小數(shù)字。據(jù)美國加州大學柏克萊分校和柏克萊勞倫斯國家實驗室(LBL)的一項調(diào)查顯示,美國家庭和辦公場所平均有10%的電源都是耗費在無用的待機或穩(wěn)壓電源插座上,折合金額約35億美元,相當于八座發(fā)電站供應的電量。
實際上電器制造商完全可以在產(chǎn)品中采用新型電源控制器設計達到省電的目的,而更改設計后對電器本身的性能不會有絲毫影響。如美國Power Integrations公司最近推出的離線式電源轉換器IC TOPSwitch-GX就是一種適應這類需求的產(chǎn)品,該控制器采用了專門的EcoSmart節(jié)能技術,可大大降低電器在待機狀態(tài)下消耗的功率,在睡眠模式下功耗僅160mW。采用這種控制器的應用電器可完全達到美國能源之星標準的要求。
Power Integrations總裁兼CEO Howard Earhart:“電源部分必須提高集成度才能滿足應用的需求。”" align="RIGHT" vspace="12" hspace="12">
TOPSwich-GX從原有的TOPSwitch發(fā)展而來,它將高壓MOSFET、PWM控制、錯誤保護及其它控制電路集成在一個CMOS芯片上,整個產(chǎn)品系列有14種型號,輸出功率從5W到250W。這種產(chǎn)品帶有軟啟動功能,可以使電流沖擊降到最小以便在起動時減輕元件的壓力,另外它對頻率抖動進行了處理可降低EMI干擾。由于它的占空比很寬,所以只需要很小的輸入電容,其開關頻率為132kHz,能根據(jù)負載情況作自動調(diào)節(jié)。該芯片應用范圍極廣,包括各種便攜式電腦的電源適配器、移動電話充電器、LCD顯示器、機頂盒、DVD播放機、UPS、家庭游戲機、網(wǎng)絡電器產(chǎn)品以及用戶專門的“開放式”(open frame)電源等等。
除了參考設計和評估板以外,該公司還免費提供一種系統(tǒng)設計軟件光盤,幫助用戶進行器件選擇。這種設計軟件使用非常方便,設計人員只需要輸入電路的關鍵參數(shù),如輸入電壓范圍、要求的輸出電壓、輸出電流等,程序就可自動進行優(yōu)化輸出設計,從而大大簡化了設計流程,縮短設計周期,加快了產(chǎn)品的面世時間。
