便携式产品电源管理的新方案

随着移动电话、笔记本电脑、数码相机、摄录像机、MP3播放机等便携装置的迅速发展，对电源和电源管理提出了更高的要求。电源系统面对：
　　系统日益增加的复杂性;
　　需要管理更多电压、更低电压以及更宽的输入电压范围;
　　系统空间越来越小，功能越来越多，功率越来越高;
　　高性价比要求。
　　面对这些严峻的挑战，制造厂家推出各种解决方案，使得电源和电源管理技术日新月异，新产品、新结构、新协议、新解决方案层出不穷。
　　除便携装置所用电源面对严峻挑战外，计算机、通信、工业、消费电子、汽车、仪器仪表等所用电源面对提高电源效率、降低待机功耗的挑战。
　　数字电源管理
　　数字电源控制协议
　　控制电源转换和管理器件的数字通信协议__新PMBus(电源管理总线)于2005年发布标准规范。一些电源和半导体公司，如Artesyn 　　Technologies 、Astec/Emerson Network Power 、Intersil Corp. 、Microchip Technology 、Summit Microelectronics 、Texas 　　Instruments 、Volterra Semiconductor　、Zilker Labs Inc.等参与此协议的共同研究。用PMBus，根据标准命令集可以配置、监控和维护电源转换器。设计人员可以用PMBus命令来设置电源的工作参量、监控电源工作和执行正确的测量来响应失效或工作报警。仅仅靠重新编程设置电源输出电压性能能使同一硬件提供不同的输出电压。PMBus系统的监控和维护性能能够增强系统的可靠性和可用性。
　　实现PMBus规范需要电源和相关IC的设计要遵从所要求的接口和命令。例如，在实现PMBus规范时，SMBus(系统管理总线)提供主计算机或系统控制器与PMBus依从器件之间的串行通信(图1)。在实现PMBus规范时，PMBus协议将使能多源电源管理产品。设计人员能够用标准命令集控制PMBus依从的电源转换器。

　　图1在PMBus规范实现中，SMBus提供主计算机或系统管理器与PMBus依从器件之间的串行通信
　　数字电源管理器
　　Power-One公司的第二代IBA(中间总线结构)控制器从模块变为单片。单片数字IBA控制器ZM7332可以控制高达32个数字POL(负载点)、4个简单的LDO(低压降)稳压器、VRM(电压稳压器模块)等。在典型的应用中，系统中有4组Z-One POL(图2)，每组由1个或多个POL转换器构成。单片DPM(数字电源管理器)控制器可由用户编程失效管理配置和规定容限功能、监控、启动功能以及报告转换行为。用户可以通过I2C总线在产品开发和应用期间的任何时间改变可编程的参量。DPM可以触发任选的保安电路并为中间总线电压提供欠压和过压保护。DPM也可以管理模拟POL或LDO以及需要开/关功能或监控的任何事情。每个器件都有1个地址并配置在1个组中。可以编程使能信号的极性和辅助器件的失效数据。
　　

　　图2　DPM控制器应用电路
　　数字电源
　　TI公司的Fusion Digital PowerTM解决方案把模拟电源管理和数字信号处理结合在一起，使电源系统更智能、更可靠，使得数字控制电源系统以极具竞争力的低成本实现更高的性能和设计灵活性。Fusion Digital PowerTM解决方案包括数字电源控制器UCD9k、数字电源PWM控制器UCD8K和数字电源驱动器UCD7K。该数字电源解决方案支持从AC线路到负载点应用的电源系统，包括电信设备、计算机服务器、数据中心电源系统。
　　POL电源模块
　　非隔离式插入负载点电源模块
　　TI公司的T2系列非隔离式插入负载点电源模块支持4.5V~14V输入电压范围的降压DC/DC转换，可调输出电压能够在输出电流高达50A时下降至0.7V，非常适合于IBA应用。图3示出T2电源模块的应用电路。T2模块集成了最新的TurboTransTM技术和SmartSync功能。创新的TurboTransTM技术使电源设计人员利用单个外部电阻器就可动态地“调节”模块，从而满足特定的瞬态负载要求。此技术能大幅度降低所需电容，使输出电容降低5~8倍。从而节省电容成本和PCB空间。最终可加快瞬态响应，使输出电压偏移降低40%。T2电源模块的SmartSync功能使电源设计人员能将多个T2电源模块的开关频率同步到特定的频率。因此，设计人员可以将电源模块同步到能使效率最大化和功耗最小化的频率。由于解决了同步问题，就能够消除差频，同步化的电源模块更易于实现EMI滤波，从而满足对噪声敏感的RF系统的辐射要求。也可以在不同的相位角同步电源模块，降低POL输入电容。T2电源模块还具有DSP要求的1.5% DC容差、Auto-TrackTM排序技术、预偏置启动、差分远程感测、开/关机控制、过滤保护、过温保护、欠压锁定等特性。
　　

　　图3　非隔离式插入负载点电源模块应用电路
　　DC/DC微型电源模块
　　Linear公司的微型10A　POL降压稳压器模块在15mm×15mm×2.8mm　LGA封装中包含板上电感器、板上功率MOSFET、板上DC/DC控制器和MOSFET驱动器、板上补偿电路。用它构成POL稳压器仅需输入和输出电容器(图4)。图4中LTM4600EV转换器的输入电压图6　PFC设计和OCC方案。
　　

　　图4　微型10A　POL模块应用电路
　　

　　图5　分布电源新拓扑
　　

　　图6　PFC设计和OCC方案
　　范围4.5V~20V (LTM4600HVEV最大输入电压可达28V)，输出电压范围0.6V~5V(由1个电阻器设置)，典型开关频率800KHz(满载)，它包含过压和短路保护以及通过小电容器可调的内置软启动定时器。
　　分布电源新拓扑
　　Vicor公司的FPA(分比式电源架构)在负载点采用隔离电压转换模块(VTM)，由前置稳压器模块(PRM)提供稳压(见图5)。
　　电源转换拓扑一般采用脉宽调制(PWM)转换器。一种新的电源转换拓扑是正弦幅度转换器(SAC)。SAC把零电流开关(ZCS)/零电压开关(ZVS)转换器和PWM转换器的优点结合在一起。SAC与PWM转换器的性能比较示于表1。SAC开关频率高达3.5MHz，这可减小电抗元件的大小。不像一些非隔离转换器那样，交错多相位来产生1个高有效频率，SAC工作在1个有效的单相频率，这使复杂性大大地降低。
　　ZCS/ZVS大大降低了开关损耗，SAC在100%占空比处理功率，不需要串行能量存储在转换器的输出，这进一步减小了元件尺寸，并改善了瞬态响应。
　　改善功率因数校正的新技术
　　交流电源设备必须遵从有关规定的总谐波失真(THD)最大限制，这意味着实现功率因数校正(PFC)已成为电源设计的1个关键因素。在低功率系统(200W~300W)，开关电源惯用的控制方法是非连续电流模式(DCM)技术，在这种方法中开关周期每部分电感器电流降??率的增加，需要较大的EMI滤波器、效率会降低而且需要较大的FET和散热器。基于此原因，较高功率系统采用连续电流模式(CCM)技术，而不管这会导致较多的元件、电路复杂以及尺寸和系统成本增加。
　　PFC设计的新方法是OCC(One-Cycle Control)。OCC方案在功率75W~4KW额定范围内能提供一般CCM技术的所有好处，并具有较低的成本和复杂性。新的OCC方案与传统乘法基CCM系统的差别是OCC不需要AC线感测。从DC总线电压和返回电流得到校正电流波形和使功率因数最大所需的所有信息。OCC系统处理这些信息来驱动PFC开关的占空比。OCC电路(图6)不需要模拟乘法器、输入电压感测、固定振荡器斜波。在OCC电路中，在1个开关周期内积分误差放大器的输出来产生1个可变斜率斜波，然后与误差电压进行比较，产生PWM栅极驱动信号。这种控制方法比传统的乘法基技术所需电阻器少40%、电容器少50%(对典型1KW系统而言)。对于PFC，OCC简化了控制技术而又能提供像传统乘法器基那样的高性能。现在，把OCC功能集成到高性能IC中，IR公司已为75W~4KW功率额定值应用开发出单芯片方案，这就是mPFC的新IR1150家族。

　　结语
　　电源管理是当今热门的电子技术。有关电源管理的协议、新产品、新拓扑、新解决方案(如数字电源控制协议PMBus，单片数字电源管理器和数字电源，微型和大电流POL电源模块，分布电源FPA拓扑，SAC转换器，PFC设计的OCC方案等)层出不穷。预计未来5年，电源管理全球市场年增长率15%以上。

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