電源應(yīng)用無(wú)所不在,可以說(shuō)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(shù)已有了很大的飛躍。目前電源應(yīng)用發(fā)展的趨勢(shì)可以用“兩高兩低”來(lái)形容,即增高功率密度、提高電源轉(zhuǎn)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(duì)幾家知名半導(dǎo)體公司進(jìn)行了采訪,發(fā)現(xiàn)他們?cè)诓煌念I(lǐng)域又朝著上述目標(biāo)前進(jìn)了一大步。

移動(dòng)電話電源管理更加簡(jiǎn)化

目前很多移動(dòng)電話都把充電電路直接裝入手機(jī)內(nèi)部,如何將這一部分應(yīng)用做到功耗更低體積更小,一直是手機(jī)制造商們追求的目標(biāo)。在訪問(wèn)Linear Technology公司時(shí),該公司展示了他們針對(duì)這種需求的新一代脈沖式電池充電控制器及其應(yīng)用方案。

和以往的開關(guān)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(jī)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(guò)內(nèi)部功率FET導(dǎo)通使輸入電壓下降,使外部穩(wěn)壓器進(jìn)入限流狀態(tài),從而降低了器件本身的功耗；當(dāng)電池充到接近預(yù)定電壓時(shí),內(nèi)部FET又會(huì)轉(zhuǎn)入脈沖工作方式,直到可編程定時(shí)器計(jì)時(shí)終止。電池充滿以后,充電控制器的一個(gè)管腳還會(huì)發(fā)出指示信號(hào)驅(qū)動(dòng)LED顯示以提醒用戶。該器件的輸出電壓可通過(guò)引腳選擇或,誤差不超過(guò)1%。在沒(méi)有充電時(shí),它會(huì)自動(dòng)進(jìn)入睡眠模式,電流消耗低于1uA。使用這種器件還有一個(gè)好處就是當(dāng)輸入電壓對(duì)地發(fā)生短路時(shí)沒(méi)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(jìn)一步減少外圍元件的數(shù)量。

電壓調(diào)整也是移動(dòng)電話電源管理的重要組成部分之一,隨著工作電壓越來(lái)越低,DC/DC轉(zhuǎn)換器的優(yōu)點(diǎn)也越加明顯。Linear Technology的LTC3401是一種高效固定頻率升壓轉(zhuǎn)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(shè)置,最高可達(dá)3MHz,并能與外部時(shí)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(jìn)行調(diào)節(jié),其額定開關(guān)電流為1A,靜態(tài)電流只有38uA,效率高達(dá)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(gòu),使其模擬技術(shù)在原有基礎(chǔ)上又得到進(jìn)一步增強(qiáng)。最近該公司利用DMOS工藝技術(shù),推出系列新型電壓調(diào)節(jié)器。DMOS技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于其電氣性能穩(wěn)定,靜態(tài)響應(yīng)快速,同時(shí)單位面積上的壓差很小。如用該技術(shù)制造的低噪聲調(diào)壓器REG103,壓差在滿載時(shí)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(shí),其對(duì)地電流僅1mA,非工作狀態(tài)時(shí)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(shè)備上。其輸出電壓從到有多種選項(xiàng),誤差不超過(guò)2%。

多相轉(zhuǎn)換器技術(shù)已日趨成熟

如今的計(jì)算機(jī)微處理器對(duì)電源要求越來(lái)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(dá)50A/us。為了能使這類處理器正常工作,其DC/DC轉(zhuǎn)換器的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)必須非常快,同時(shí)還要保證體積小,并且具有準(zhǔn)確及可編程等特性,以用在各種先進(jìn)的便攜式電腦中。目前有很多家半導(dǎo)體廠商采用多相轉(zhuǎn)換器解決方案推出自己的產(chǎn)品,這種方式將任務(wù)先分解,使每相轉(zhuǎn)換器只承擔(dān)其中一部分任務(wù),最后再把各相合起來(lái)達(dá)到總的要求。除了響應(yīng)快速,多相方式的另一個(gè)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(zhuǎn)換原理基礎(chǔ)上,美國(guó)ON Semiconductor公司又開發(fā)出一種增強(qiáng)型V²控制技術(shù)。該技術(shù)在峰值電流模式下通過(guò)PWM控制,可保證各相之間電流分配平均,而且因負(fù)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(yīng)迅捷快速,另外該技術(shù)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(jìn)行監(jiān)測(cè)。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(dá)1MHz。在談到未來(lái)多相控制器發(fā)展趨勢(shì)時(shí),該公司高級(jí)副總裁兼CMO/CTO Bill George介紹說(shuō),“今后的處理器所需電流將達(dá)到60～75A,普遍傾向于采用4相轉(zhuǎn)換器,開關(guān)頻率將在500kHz左右,同時(shí)在頻率更高或相數(shù)更多的情況下,相分技術(shù)(phase slice)必將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展。”

T類放大器漸成新寵

Hi-Fi發(fā)燒友們對(duì)各種甲類放大器、甲乙類放大器等等已是再熟悉不過(guò)了,這些放大器都是利用晶體管導(dǎo)通完成信號(hào)放大。但是用晶體管放大時(shí)變壓器兩端會(huì)產(chǎn)生壓降而散發(fā)出熱量,相應(yīng)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(wèn)題,電子工程師們又設(shè)計(jì)出開關(guān)式放大器,即我們常說(shuō)的丁類放大器,它采用脈寬調(diào)制技術(shù)控制電路的開關(guān),可將整個(gè)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(dá)到線性放大器的水平。

為了克服丁類放大器的這種缺點(diǎn),美國(guó)Tripath Technology公司在開關(guān)式放大器基礎(chǔ)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(shí)也能達(dá)到高保真信號(hào)輸出。這種T類放大器雖然同樣屬于開關(guān)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(yù)測(cè)及自適應(yīng)功能的反饋系統(tǒng),可對(duì)開關(guān)的性能進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,根據(jù)輸入及負(fù)載特性而調(diào)整算法,使音質(zhì)達(dá)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(fēng)扇,縮小了最終產(chǎn)品的體積。

Tripath Technology利用該技術(shù)設(shè)計(jì)的芯片具有很高功率密度,在一個(gè)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(shè)計(jì)到普通的VCD/DVD播放機(jī)中成為可能。如日本索尼公司最新推出的DVD播放機(jī)DAV-S300,其厚度不到100mm,但最大功率可達(dá)180W,采用三片Tripath雙通道TA2020提供6聲道輸出。它的最大特點(diǎn)是不再需要龐大笨重的功放,直接將音箱接到DVD機(jī)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(gòu)買功放的昂貴費(fèi)用。

Tripath Technology公司營(yíng)銷副總裁Neal Carney先生介紹說(shuō),“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(qū)動(dòng)等多方面,為這些領(lǐng)域的應(yīng)用提供高效率小型化功率管理解決方案。”

TOPSwitch-GX:關(guān)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(guān)掉了,卻仍在不斷地消耗電能,如同一個(gè)沒(méi)有關(guān)緊的水龍頭。實(shí)際上有的電器在待機(jī)時(shí)消耗的電能甚至比工作時(shí)用掉的還多,另一個(gè)容易被忽視的是小型穩(wěn)壓電源,如果長(zhǎng)期插在插座上其耗電量日積月累下來(lái)也絕不會(huì)是個(gè)小數(shù)字。據(jù)美國(guó)加州大學(xué)柏克萊分校和柏克萊勞倫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(LBL)的一項(xiàng)調(diào)查顯示,美國(guó)家庭和辦公場(chǎng)所平均有10%的電源都是耗費(fèi)在無(wú)用的待機(jī)或穩(wěn)壓電源插座上,折合金額約35億美元,相當(dāng)于八座發(fā)電站供應(yīng)的電量。

實(shí)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(shè)計(jì)達(dá)到省電的目的,而更改設(shè)計(jì)后對(duì)電器本身的性能不會(huì)有絲毫影響。如美國(guó)Power Integrations公司最近推出的離線式電源轉(zhuǎn)換器IC TOPSwitch-GX就是一種適應(yīng)這類需求的產(chǎn)品,該控制器采用了專門的EcoSmart節(jié)能技術(shù),可大大降低電器在待機(jī)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(yīng)用電器可完全達(dá)到美國(guó)能源之星標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用的需求。”" align="RIGHT" vspace="12" hspace="12">

TOPSwich-GX從原有的TOPSwitch發(fā)展而來(lái),它將高壓MOSFET、PWM控制、錯(cuò)誤保護(hù)及其它控制電路集成在一個(gè)CMOS芯片上,整個(gè)產(chǎn)品系列有14種型號(hào),輸出功率從5W到250W。這種產(chǎn)品帶有軟啟動(dòng)功能,可以使電流沖擊降到最小以便在起動(dòng)時(shí)減輕元件的壓力,另外它對(duì)頻率抖動(dòng)進(jìn)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(guān)頻率為132kHz,能根據(jù)負(fù)載情況作自動(dòng)調(diào)節(jié)。該芯片應(yīng)用范圍極廣,包括各種便攜式電腦的電源適配器、移動(dòng)電話充電器、LCD顯示器、機(jī)頂盒、DVD播放機(jī)、UPS、家庭游戲機(jī)、網(wǎng)絡(luò)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(shè)計(jì)和評(píng)估板以外,該公司還免費(fèi)提供一種系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件光盤,幫助用戶進(jìn)行器件選擇。這種設(shè)計(jì)軟件使用非常方便,設(shè)計(jì)人員只需要輸入電路的關(guān)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(dòng)進(jìn)行優(yōu)化輸出設(shè)計(jì),從而大大簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)流程,縮短設(shè)計(jì)周期,加快了產(chǎn)品的面世時(shí)間。