現(xiàn)代筆記本電腦中的關(guān)鍵--綠色解決方案

電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必需克服的一大障礙是設(shè)法降低高功率服務(wù)器的功耗水平，因?yàn)樗鼈冊(cè)谶@些模式中仍然將從交流電源插座或后備電池系統(tǒng)吸收電流。所以，人們?nèi)找鎻?qiáng)烈地要求功率轉(zhuǎn)換IC在其被置于待機(jī)或停機(jī)模式中時(shí)提供較低的靜態(tài)電流。當(dāng)今的便攜式筆記本電腦設(shè)計(jì)師也面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。對(duì)高性能電源管理系統(tǒng)的需求便是這些挑戰(zhàn)中的一個(gè)。

引言

大多數(shù)工業(yè)化國家普遍認(rèn)識(shí)到了節(jié)能的必要性。其原因基于這樣的現(xiàn)實(shí)情況，即：隨著這些國家人口數(shù)量的增加，那些配備供暖/冷卻系統(tǒng)以及照明和電器的新型家居的能量需求也在日益攀升。建造新的發(fā)電廠肯定需要花費(fèi)大量的資金，但這并不是全部，把生產(chǎn)出來的電力輸送給用戶也是一項(xiàng)耗資巨大的工作。人們已經(jīng)注意到，如果能夠把大多數(shù)電器目前的能耗削減15% ~ 20%，那么將比建設(shè)新的電廠更加經(jīng)濟(jì)劃算。

顯然，在全球范圍內(nèi)，高功率電氣系統(tǒng) （例如：服務(wù)器群） 的節(jié)能浪潮可謂方興未艾 —— 不管是在發(fā)電方面還是在能源消耗方面，成本節(jié)省所帶來的巨大好處都是令人信服的，任何人都無法忽視。然而，電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)師必需克服的一大障礙是設(shè)法降低高功率服務(wù)器的功耗水平 （即使在其處于低功率或待機(jī)模式時(shí)也不例外），因?yàn)樗鼈冊(cè)谶@些模式中仍然將從交流電源插座或后備電池系統(tǒng) （當(dāng)在供電中斷的條件下起動(dòng)時(shí)） 吸收電流。所以，人們?nèi)找鎻?qiáng)烈地要求功率轉(zhuǎn)換IC 在其被置于待機(jī)或停機(jī)模式中時(shí)提供較低的靜態(tài)電流。

與此同時(shí)，當(dāng)今的便攜式筆記本電腦設(shè)計(jì)師也面臨著前所未有的挑戰(zhàn)。對(duì)高性能電源管理系統(tǒng)的需求 （以適應(yīng)系統(tǒng)復(fù)雜性的日益增加以及功率預(yù)算的不斷攀升） 便是這些挑戰(zhàn)中的一個(gè)。這些系統(tǒng)努力地在諸多相互沖突的目標(biāo)之間尋求著一個(gè)最佳的平衡，這些目標(biāo)包括：長久的電池運(yùn)行時(shí)間、與多種電源的兼容性、高功率密度、小外形尺寸和有效的熱管理。

雖然新型鋰電池技術(shù)有望增加能量密度，然而現(xiàn)狀是：安全問題的增多抵消了電池能量密度的提高，從而促使人們采用包括較低充電 （浮動(dòng)） 電壓、熱調(diào)整和適宜溫度充電等在內(nèi)的諸多充電策略。新型電池化學(xué)組成將實(shí)現(xiàn)較長的運(yùn)行時(shí)間，不過，它們的電壓放電范圍被擴(kuò)大了，在電池電壓低于3V的條件下具有大量的可用能量。這種特性將對(duì)有關(guān)的功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)產(chǎn)生影響，因而使得同步降壓-升壓型穩(wěn)壓器必需產(chǎn)生低至3V的輸出。

為什么綠色解決方案是必不可少的？

許多高功率服務(wù)器采用單級(jí)轉(zhuǎn)換或兩級(jí)轉(zhuǎn)換方法的某種組合來處理相關(guān)聯(lián)的熱問題。散熱是一個(gè)問題，原因有二。首先，必須使用空調(diào)來保持工作環(huán)境的涼爽，而這需要采用AC電網(wǎng)電源。其次，可能需要在服務(wù)器底盤之內(nèi)布設(shè)更多的風(fēng)扇 （旨在維持足夠的氣流），以在利用率最高的時(shí)間里使關(guān)鍵的LSI數(shù)字元件保持冷卻狀態(tài)。這也需要從電網(wǎng)獲取更多的功率。然而，系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨的一個(gè)難題是利用哪種方法來盡量滿足其特定的系統(tǒng)要求。究竟是采用單級(jí)轉(zhuǎn)換 （比如：從48V轉(zhuǎn)換至1.xV） 還是雙級(jí)轉(zhuǎn)換 （例如：從48V轉(zhuǎn)換至一個(gè)12V中間總線架構(gòu)IBA，然后運(yùn)用負(fù)載點(diǎn)POL轉(zhuǎn)換器來完成從12V至1.xV的轉(zhuǎn)換）？這個(gè)問題很難回答，因?yàn)樗Q于諸多因素，其中的一些因素已在上文中做過討論。此外，這些因素還將因系統(tǒng)的類型、其配置、所用的設(shè)計(jì)方法以及眾多其他變量而有所不同。

然而，人們希望在電壓不斷下降的情況下增加電流，這種日漸增長的需求將繼續(xù)推動(dòng)堵多此類高功率系統(tǒng)的發(fā)展。該領(lǐng)域的許多成果都可歸功于功率轉(zhuǎn)換技術(shù)的進(jìn)步，特別是電源 IC和功率半導(dǎo)體器件的改善。一般說來，這些元件通過允許在幾乎不影響功率轉(zhuǎn)換效率的前提下提高開關(guān)頻率來促進(jìn)電源性能的提升。通過降低開關(guān)損耗和通態(tài)損耗、并提供有效的散熱，便可做到這一點(diǎn)。不過，由于輸出電壓呈逐漸下降之勢(shì)，因而給這些因素施加了更大的壓力，這反過來又產(chǎn)生了重大的設(shè)計(jì)難題。

分立式電源設(shè)計(jì)和傳統(tǒng)型電源模塊均是和分立元件一起制作在印刷電路板上，由于需要權(quán)衡外形尺寸因素，因而導(dǎo)致電性能和熱性能都受到了限制。然而，關(guān)鍵是要提供一種使電性能和熱性能均有所增強(qiáng)的全集成電路解決方案，并提供一種便于設(shè)計(jì)新手使用的緊湊型解決方案。一種理想的解決方案是采用一個(gè)POL DC/DC模塊。在許多場合中，一個(gè)高性能 POL 模塊能夠解決緊湊占板面積問題，而不會(huì)犧牲熱性能或電性能。

高功率POL穩(wěn)壓器是空間受限型電源設(shè)計(jì)的一個(gè)很好的例子。此類電源在位置上往往非?？拷粔K大型系統(tǒng)板上的微處理器、FPGA或ASIC，并為這些器件提供所需的全部功率。大型數(shù)字設(shè)備往往需要幾安培至100安培以上的電流。一塊大型系統(tǒng)板常常需要很多個(gè)這樣的POL電源，因此，如何為這些電源設(shè)計(jì)逐一分配所需的足夠空間便成了難題。另外，系統(tǒng)板的背面常常對(duì)高度有所限制，因此一般不適合用于電源設(shè)計(jì)。分立式功率轉(zhuǎn)換器通常會(huì)利用系統(tǒng)板的兩個(gè)面 （以實(shí)現(xiàn)緊湊型設(shè)計(jì)），而傳統(tǒng)的電源模塊設(shè)計(jì)則由于其高度過大的原因而只能利用系統(tǒng)板的頂面。設(shè)計(jì)師一般會(huì)有策略地把傳統(tǒng)型電源模塊布設(shè)在系統(tǒng)板上，旨在避免阻斷其他集成電路所需的冷卻氣流。但這經(jīng)常會(huì)導(dǎo)致性能劣化，因?yàn)殡娫捶€(wěn)壓器與其負(fù)載的相對(duì)位置并非最佳。

用戶對(duì)較高功率解決方案的需求還與高級(jí)筆記本電腦密切相關(guān) （原因是其計(jì)算能力有所提升）。同時(shí)，電源軌的數(shù)目也在持續(xù)地增多。這種趨勢(shì)愈發(fā)地要求人們使用多輸出開關(guān)穩(wěn)壓器解決方案，以滿足外形尺寸和效率目標(biāo)，并把熱耗散置于受控狀態(tài)之下。此外，為了管理電池的運(yùn)行時(shí)間，具有高效率 （在很寬的負(fù)載電流范圍內(nèi)） 和低待機(jī) （靜態(tài)） 電流的 DC/DC 轉(zhuǎn)換器也是不可或缺的。

另外，在大多數(shù)筆記本電腦 （它們常常采用單節(jié)鋰離子電池來供電） 中，需要若干個(gè)不同電壓軌的情況是非常普遍的。這些包括多個(gè)微處理器電壓軌和眾多的特殊功能電壓軌。因此，人們對(duì)于借助電池來提供所需功率的需求大幅度增長。然而，電池的外形仍然較小，而且功率密度也僅實(shí)現(xiàn)了適度的增加。因此，電池運(yùn)行時(shí)間和上佳的熱管理能力業(yè)已成為產(chǎn)品的重要賣點(diǎn)，不僅在蜂窩電話中如此，在幾乎所有的便攜手持式設(shè)備中也是這樣。市場對(duì)于非常緊湊和高效率多輸出同步降壓型轉(zhuǎn)換器的需求隨之而生。

由于一個(gè)給定外殼內(nèi)的可用空間和冷卻條件受到諸多的限制，而且必需進(jìn)行正確的電源跟蹤以改善系統(tǒng)可靠性，因此使得高功率服務(wù)器用 POL DC/DC 轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)師們面臨著許多挑戰(zhàn)。

然而，凌力爾特不斷壯大的LTM46xx μModule 產(chǎn)品線提供了面向高功率服務(wù)器中常見的眾多空間受限型電源設(shè)計(jì)的解決方案。這些高性能 POL μModule 穩(wěn)壓器能夠解決緊湊占板面積問題，而不會(huì)犧牲熱性能或電性能。我們將就緊湊型 POL 穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)難題來對(duì)這些基于模塊的解決方案與分立式功率轉(zhuǎn)換器和傳統(tǒng)型電源模塊做一番比較。

因此，盡管市場上的產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期正呈日益縮短之勢(shì)，但 LTM46xx 系列微型模塊的易用性將加快產(chǎn)品的面市進(jìn)程，并最大限度地降低對(duì)設(shè)計(jì)所需專門知識(shí)的要求?？傊?，憑借創(chuàng)新的集成電路和封裝技術(shù)，高功率密度設(shè)計(jì)難題可以有效地得到解決。LTM46xx μModule 系列運(yùn)用富有開創(chuàng)性的技術(shù)來應(yīng)對(duì)高功率密度設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。由于能夠有效地解決高級(jí)電源設(shè)計(jì)所帶來的空間受限和散熱難題 （即使設(shè)計(jì)師缺乏電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)也無妨），因此這種模塊化趨勢(shì)將繼續(xù)大行其道。

圖1：LTM4615提供了3個(gè)輸出，用于為具有多電源軌要求的LSI數(shù)字IC供電

筆記本電腦中常用的微處理器具有多個(gè)低電壓軌，在接通和關(guān)斷期間必須對(duì)這些低電壓軌進(jìn)行正確的上電操作。這些電壓軌通常包括一個(gè) CPU 內(nèi)核電壓、I/O和一些存儲(chǔ)器。此外，CPU 內(nèi)核電壓還會(huì)因所需處理電平的不同而變化，因而要求電源對(duì)其電壓進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)功耗的優(yōu)化。

凌力爾特的LTC3562是一款四通道、高效率、2.25MHz、同步降壓型穩(wěn)壓器，采用 3mm x 3mm QFN封裝，能夠提供雙通道600mA和雙通道400mA連續(xù)輸出。每個(gè)通道可通過板上I2C接口 （兩個(gè)通道通過I2C，兩個(gè)通道通過RUN引腳） 進(jìn)行獨(dú)立控制 （包括輸出電壓），從而使其非常適合于諸如微處理器等要求動(dòng)態(tài)調(diào)整輸出電壓的應(yīng)用。此外，憑借僅100mA的待機(jī)靜態(tài)電流，它還能夠有助于延長電池的運(yùn)行時(shí)間。

圖2：LTC3562 非常適合于為筆記本個(gè)人電腦中的微處理器供電

如前文所述，寬負(fù)載范圍內(nèi)的低IC靜態(tài)電流和工作電流，再加上高開關(guān)穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換效率，對(duì)延長便攜式電子產(chǎn)品中的電池運(yùn)行時(shí)間提供了幫助。凌力爾特的PMIC具有PowerPath控制功能、超低靜態(tài)電流和待機(jī)電流、以及同類最佳的集成可編程同步降壓型開關(guān)穩(wěn)壓器，能夠簡單而輕松地解決這些設(shè)計(jì)難題。

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