硅谷之行看电源技术最新发展

电源应用无所不在，可以说有电器的地方就有电源。和以前笨重的变压器稳压源相比，如今电源技术已有了很大的飞跃。目前电源应用发展的趋势可以用“两高两低”来形容，即增高功率密度、提高电源转换效率、缩小器件体积、减少热量散发。最近本刊编辑到硅谷对几家知名半导体公司进行了采访，发现他们在不同的领域又朝着上述目标前进了一大步。

移动电话电源管理更加简化

目前很多移动电话都把充电电路直接装入手机内部，如何将这一部分应用做到功耗更低体积更小，一直是手机制造商们追求的目标。在访问Linear Technology公司时，该公司展示了他们针对这种需求的新一代脉冲式电池充电控制器及其应用方案。

和以往的开关式或线性充电器相比，脉冲式充电器的好处在于它散热量少、器件体积小，而且只需很少的外围元件，因此更适合于做在手机的内部。以Linear Technology刚推出的LTC1730为例，它在快速充电模式下，通过内部功率FET导通使输入电压下降，使外部稳压器进入限流状态，从而降低了器件本身的功耗；当电池充到接近预定电压时，内部FET又会转入脉冲工作方式，直到可编程定时器计时终止。电池充满以后，充电控制器的一个管脚还会发出指示信号驱动LED显示以提醒用户。该器件的输出电压可通过引脚选择4.1V或4.2V，误差不超过1%。在没有充电时，它会自动进入睡眠模式，电流消耗低于1uA。使用这种器件还有一个好处就是当输入电压对地发生短路时没有反向FET电流，这样就不需要用到外部肖特基二极管，从而进一步减少外围元件的数量。

电压调整也是移动电话电源管理的重要组成部分之一，随着工作电压越来越低，DC/DC转换器的优点也越加明显。Linear Technology的LTC3401是一种高效固定频率升压转换器，其工作电压可以小于1V。这种器件的工作频率由外部电阻设置，最高可达3MHz，并能与外部时钟保持同步。它的输入电压范围很宽(从0.5V到5V)，输出可在2.6V和5V之间进行调节，其额定开关电流为1A，静态电流只有38uA，效率高达97%。

调压器向低噪声低压差方向发展

Burr-Brown公司于2000年8月被德州仪器公司收购，使其模拟技术在原有基础上又得到进一步增强。最近该公司利用DMOS工艺技术，推出系列新型电压调节器。DMOS技术的优点在于其电气性能稳定，静态响应快速，同时单位面积上的压差很小。如用该技术制造的低噪声调压器REG103，压差在满载时仅有115mV，而且这种调压器的工作状态非常稳定，甚至不需要用到外部电容。在输出电流为500mA时，其对地电流仅1mA，非工作状态时更低至0.5uA。它的输出噪声很低，只有33uVrms，因此非常适合于用在便携式通信设备上。其输出电压从2.5V到5.0V有多种选项，误差不超过2%。

多相转换器技术已日趋成熟

如今的计算机微处理器对电源要求越来越高，如Intel奔腾II处理器的工作电流需要在500ns内从5A迅速升至30A，上升速率达50A/us。为了能使这类处理器正常工作，其DC/DC转换器的负载瞬态响应必须非常快，同时还要保证体积小，并且具有准确及可编程等特性，以用在各种先进的便携式电脑中。目前有很多家半导体厂商采用多相转换器解决方案推出自己的产品，这种方式将任务先分解，使每相转换器只承担其中一部分任务，最后再把各相合起来达到总的要求。除了响应快速，多相方式的另一个好处是输入纹波小，因而可节省输入电容的成本。

在多相转换原理基础上，美国ON Semiconductor公司又开发出一种增强型V²控制技术。该技术在峰值电流模式下通过PWM控制，可保证各相之间电流分配平均，而且因负载发生瞬态变化而造成的输出电压变化能直接反馈到PWM比较器，这样保证其瞬态响应迅捷快速，另外该技术还能提高控制环路的稳定性，每相输出电流均采用连续方式而非采样方式进行监测。该公司已推出可支持奔腾3及奔腾4处理器的系列多相控制器，最高工作频率可达1MHz。在谈到未来多相控制器发展趋势时，该公司高级副总裁兼CMO/CTO Bill George介绍说，“今后的处理器所需电流将达到60～75A，普遍倾向于采用4相转换器，开关频率将在500kHz左右，同时在频率更高或相数更多的情况下，相分技术(phase slice)必将会得到进一步发展。”

T类放大器渐成新宠

Hi-Fi发烧友们对各种甲类放大器、甲乙类放大器等等已是再熟悉不过了，这些放大器都是利用晶体管导通完成信号放大。但是用晶体管放大时变压器两端会产生压降而散发出热量，相应地增加了功耗，所以它们的放大效率都很低，通常不到50%。为克服这类线性放大器的低效率问题，电子工程师们又设计出开关式放大器，即我们常说的丁类放大器，它采用脉宽调制技术控制电路的开关，可将整个放大器效率提高到80%～90%。虽然这种放大器效率比较高，但它的放大效果却不是太好，在音质上又难以达到线性放大器的水平。

为了克服丁类放大器的这种缺点，美国Tripath Technology公司在开关式放大器基础上，开发出了一种T类放大器，既满足了效率方面的要求，同时也能达到高保真信号输出。这种T类放大器虽然同样属于开关工作方式，但和普通丁类放大器不同，它采用的频带更宽，并含有带预测及自适应功能的反馈系统，可对开关的性能进行动态调整，根据输入及负载特性而调整算法，使音质达到高保真线性放大器效果。由于它的效率很高，因此散热很少，大大节省了电能，而且也不需要庞大的散热片或散热风扇，缩小了最终产品的体积。

Tripath Technology利用该技术设计的芯片具有很高功率密度，在一个封装内最大可传送1,000W的功率(2×500W)，这样就使得将功放部分直接设计到普通的VCD/DVD播放机中成为可能。如日本索尼公司最新推出的DVD播放机DAV-S300，其厚度不到100mm，但最大功率可达180W，采用三片Tripath双通道TA2020提供6声道输出。它的最大特点是不再需要庞大笨重的功放，直接将音箱接到DVD机上就能享受到高质量的环绕立体声音响效果，从而节省了购买功放的昂贵费用。

Tripath Technology公司营销副总裁Neal Carney先生介绍说，“除了家庭影院以外，T类放大器还可广泛用于电脑多媒体系统、汽车音响、DSL线路驱动等多方面，为这些领域的应用提供高效率小型化功率管理解决方案。”

TOPSwitch-GX：关紧电源的龙头

人们可能很少注意到，很多电器表面上似乎已经关掉了，却仍在不断地消耗电能，如同一个没有关紧的水龙头。实际上有的电器在待机时消耗的电能甚至比工作时用掉的还多，另一个容易被忽视的是小型稳压电源，如果长期插在插座上其耗电量日积月累下来也绝不会是个小数字。据美国加州大学柏克莱分校和柏克莱劳伦斯国家实验室(LBL)的一项调查显示，美国家庭和办公场所平均有10%的电源都是耗费在无用的待机或稳压电源插座上，折合金额约35亿美元，相当于八座发电站供应的电量。

实际上电器制造商完全可以在产品中采用新型电源控制器设计达到省电的目的，而更改设计后对电器本身的性能不会有丝毫影响。如美国Power Integrations公司最近推出的离线式电源转换器IC TOPSwitch-GX就是一种适应这类需求的产品，该控制器采用了专门的EcoSmart节能技术，可大大降低电器在待机状态下消耗的功率，在睡眠模式下功耗仅160mW。采用这种控制器的应用电器可完全达到美国能源之星标准的要求。

TOPSwich-GX从原有的TOPSwitch发展而来，它将高压MOSFET、PWM控制、错误保护及其它控制电路集成在一个CMOS芯片上，整个产品系列有14种型号，输出功率从5W到250W。这种产品带有软启动功能，可以使电流冲击降到最小以便在起动时减轻元件的压力，另外它对频率抖动进行了处理可降低EMI干扰。由于它的占空比很宽，所以只需要很小的输入电容，其开关频率为132kHz，能根据负载情况作自动调节。该芯片应用范围极广，包括各种便携式电脑的电源适配器、移动电话充电器、LCD显示器、机顶盒、DVD播放机、UPS、家庭游戏机、网络电器产品以及用户专门的“开放式”(open frame)电源等等。

除了参考设计和评估板以外，该公司还免费提供一种系统设计软件光盘，帮助用户进行器件选择。这种设计软件使用非常方便，设计人员只需要输入电路的关键参数，如输入电压范围、要求的输出电压、输出电流等，程序就可自动进行优化输出设计，从而大大简化了设计流程，缩短设计周期，加快了产品的面世时间。