绿色解决方案——现代笔记本电脑中的关键

引言

大多数工业化国家普遍认识到了节能的必要性。其原因基于这样的现实情况，即：随着这些国家人口数量的增加，那些配备供暖/冷却系统以及照明和电器的新型家居的能量需求也在日益攀升。建造新的发电厂肯定需要花费大量的资金，但这并不是全部，把生产出来的电力输送给用户也是一项耗资巨大的工作。人们已经注意到，如果能够把大多数电器目前的能耗削减15% ~ 20%，那么将比建设新的电厂更加经济划算。

显然，在全球范围内，高功率电气系统 (例如：服务器群) 的节能浪潮可谓方兴未艾 —— 不管是在发电方面还是在能源消耗方面，成本节省所带来的巨大好处都是令人信服的，任何人都无法忽视。然而，电源系统设计师必需克服的一大障碍是设法降低高功率服务器的功耗水平 (即使在其处于低功率或待机模式时也不例外)，因为它们在这些模式中仍然将从交流电源插座或后备电池系统 (当在供电中断的条件下起动时) 吸收电流。所以，人们日益强烈地要求功率转换IC 在其被置于待机或停机模式中时提供较低的静态电流。

与此同时，当今的便携式笔记本电脑设计师也面临着前所未有的挑战。对高性能电源管理系统的需求 (以适应系统复杂性的日益增加以及功率预算的不断攀升) 便是这些挑战中的一个。这些系统努力地在诸多相互冲突的目标之间寻求着一个最佳的平衡，这些目标包括：长久的电池运行时间、与多种电源的兼容性、高功率密度、小外形尺寸和有效的热管理。

虽然新型锂电池技术有望增加能量密度，然而现状是：安全问题的增多抵消了电池能量密度的提高，从而促使人们采用包括较低充电 (浮动) 电压、热调整和适宜温度充电等在内的诸多充电策略。新型电池化学组成将实现较长的运行时间，不过，它们的电压放电范围被扩大了，在电池电压低于3V的条件下具有大量的可用能量。这种特性将对有关的功率转换系统产生影响，因而使得同步降压-升压型稳压器必需产生低至3V的输出。

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为什么绿色解决方案是必不可少的？

许多高功率服务器采用单级转换或两级转换方法的某种组合来处理相关联的热问题。散热是一个问题，原因有二。首先，必须使用空调来保持工作环境的凉爽，而这需要采用AC电网电源。其次，可能需要在服务器底盘之内布设更多的风扇 (旨在维持足够的气流)，以在利用率最高的时间里使关键的LSI数字元件保持冷却状态。这也需要从电网获取更多的功率。然而，系统设计师面临的一个难题是利用哪种方法来尽量满足其特定的系统要求。究竟是采用单级转换 (比如：从48V转换至1.xV) 还是双级转换 (例如：从48V转换至一个12V中间总线架构IBA，然后运用负载点POL转换器来完成从12V至1.xV的转换)？这个问题很难回答，因为它取决于诸多因素，其中的一些因素已在上文中做过讨论。此外，这些因素还将因系统的类型、其配置、所用的设计方法以及众多其他变量而有所不同。

然而，人们希望在电压不断下降的情况下增加电流，这种日渐增长的需求将继续推动堵多此类高功率系统的发展。该领域的许多成果都可归功于功率转换技术的进步，特别是电源 IC和功率半导体器件的改善。一般说来，这些元件通过允许在几乎不影响功率转换效率的前提下提高开关频率来促进电源性能的提升。通过降低开关损耗和通态损耗、并提供有效的散热，便可做到这一点。不过，由于输出电压呈逐渐下降之势，因而给这些因素施加了更大的压力，这反过来又产生了重大的设计难题。

图1：凌力尔特的DC/DC转换器是一种适合高功率服务器中POL转换的理想解决方案

分立式电源设计和传统型电源模块均是和分立元件一起制作在印刷电路板上，由于需要权衡外形尺寸因素，因而导致电性能和热性能都受到了限制。然而，关键是要提供一种使电性能和热性能均有所增强的全集成电路解决方案，并提供一种便于设计新手使用的紧凑型解决方案。一种理想的解决方案是采用一个POL DC/DC模块。在许多场合中，一个高性能 POL 模块能够解决紧凑占板面积问题，而不会牺牲热性能或电性能。

高功率POL稳压器是空间受限型电源设计的一个很好的例子。此类电源在位置上往往非常靠近一块大型系统板上的微处理器、FPGA或ASIC，并为这些器件提供所需的全部功率。大型数字设备往往需要几安培至100安培以上的电流。一块大型系统板常常需要很多个这样的POL电源，因此，如何为这些电源设计逐一分配所需的足够空间便成了难题。另外，系统板的背面常常对高度有所限制，因此一般不适合用于电源设计。分立式功率转换器通常会利用系统板的两个面 (以实现紧凑型设计)，而传统的电源模块设计则由于其高度过大的原因而只能利用系统板的顶面。设计师一般会有策略地把传统型电源模块布设在系统板上，旨在避免阻断其他集成电路所需的冷却气流。但这经常会导致性能劣化，因为电源稳压器与其负载的相对位置并非最佳。

用户对较高功率解决方案的需求还与高级笔记本电脑密切相关 (原因是其计算能力有所提升)。同时，电源轨的数目也在持续地增多。这种趋势愈发地要求人们使用多输出开关稳压器解决方案，以满足外形尺寸和效率目标，并把热耗散置于受控状态之下。此外，为了管理电池的运行时间，具有高效率 (在很宽的负载电流范围内) 和低待机 (静态) 电流的 DC/DC 转换器也是不可或缺的。

图2：凌力尔特的μModule稳压器提供了高散热效率和紧凑的POL解决方案

另外，在大多数笔记本电脑 (它们常常采用单节锂离子电池来供电) 中，需要若干个不同电压轨的情况是非常普遍的。这些包括多个微处理器电压轨和众多的特殊功能电压轨。因此，人们对于借助电池来提供所需功率的需求大幅度增长。然而，电池的外形仍然较小，而且功率密度也仅实现了适度的增加。因此，电池运行时间和上佳的热管理能力业已成为产品的重要卖点，不仅在蜂窝电话中如此，在几乎所有的便携手持式设备中也是这样。市场对于非常紧凑和高效率多输出同步降压型转换器的需求随之而生。

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您手边的创新型解决方案

由于一个给定外壳内的可用空间和冷却条件受到诸多的限制，而且必需进行正确的电源跟踪以改善系统可靠性，因此使得高功率服务器用 POL DC/DC 转换器的设计师们面临着许多挑战。

然而，凌力尔特不断壮大的LTM46xx μModule 产品线提供了面向高功率服务器中常见的众多空间受限型电源设计的解决方案。这些高性能 POL μModule 稳压器能够解决紧凑占板面积问题，而不会牺牲热性能或电性能。我们将就紧凑型 POL 稳压器设计难题来对这些基于模块的解决方案与分立式功率转换器和传统型电源模块做一番比较。

因此，尽管市场上的产品设计周期正呈日益缩短之势，但 LTM46xx 系列微型模块的易用性将加快产品的面市进程，并最大限度地降低对设计所需专门知识的要求。总之，凭借创新的集成电路和封装技术，高功率密度设计难题可以有效地得到解决。LTM46xx μModule 系列运用富有开创性的技术来应对高功率密度设计挑战。由于能够有效地解决高级电源设计所带来的空间受限和散热难题 (即使设计师缺乏电源设计经验也无妨)，因此这种模块化趋势将继续大行其道。

图3：LTM4615提供了3个输出，用于为具有多电源轨要求的LSI数字IC供电

笔记本电脑中常用的微处理器具有多个低电压轨，在接通和关断期间必须对这些低电压轨进行正确的上电操作。这些电压轨通常包括一个 CPU 内核电压、I/O和一些存储器。此外，CPU 内核电压还会因所需处理电平的不同而变化，因而要求电源对其电压进行动态调节，以实现功耗的优化。

凌力尔特的LTC3562是一款四通道、高效率、2.25MHz、同步降压型稳压器，采用 3mm x 3mm QFN封装，能够提供双通道600mA和双通道400mA连续输出。每个通道可通过板上I2C接口 (两个通道通过I2C，两个通道通过RUN引脚) 进行独立控制 (包括输出电压)，从而使其非常适合于诸如微处理器等要求动态调整输出电压的应用。此外，凭借仅100mA的待机静态电流，它还能够有助于延长电池的运行时间。

图4：LTC3562 非常适合于为笔记本个人电脑中的微处理器供电

如前文所述，宽负载范围内的低IC静态电流和工作电流，再加上高开关稳压器转换效率，对延长便携式电子产品中的电池运行时间提供了帮助。凌力尔特的PMIC具有PowerPath控制功能、超低静态电流和待机电流、以及同类最佳的集成可编程同步降压型开关稳压器，能够简单而轻松地解决这些设计难题。

作者：Tony Armstrong

产品市场总监 电源产品组 凌力尔特公司