电源管理技术:消费类电子产品的永恒主题

随着消费类电子、通信和计算机产品技术的不断发展,电源管理的重要性日益明显,在以电池为供电主体的便携式电子产品中更是如此,这是一个挑战和解决方案交相辉映的永恒主题。作为第九届国际集成电路研讨会暨展览会中“下一代消费类电子产品的电源解决方案高峰论坛”的主持人,我从德州仪器、MontaVista Software和凌特公司的主题技术讲演中再次深深体会到了这一点。

新一代的便携式电子产品结合了更多的多媒体应用、无线连接和PDA等功能,电源管理已脱离了传统的单一管理模式,成为多技术、先进制造和封装技术的组合体。

总体上看,便携式电子产品中电源管理的技术发展趋势体现在以下几个方面:

1. 集成度日益提高,但并没有排斥小规模、独立封装的模拟电源电路。数码相机中的电源管理由于其具有多电压组的要求,是体现对高集成度电路需求的一个典型例子；而对于充电器、通过USB电源供电等特定应用,小规模电源电路仍然有它的用武之地。

2. 开关电源将成为主流。现在业界普遍存在的一种趋势是采用高开关频率电路,由传统的100至300KHz提高到数兆Hz级别。驱动这种技术趋势的动力来源于便携式电子产品对小尺寸器件的需求,因为高频率开关器件可有效地降低对容性和感性器件的尺寸,并进一步提高电源的效率。

3.VSPACE=12 HSPACE=12 ALT=""> 能有效抑制电源噪声的技术日益重要,这是由于开关器件的固有特性所决定的,线性电路在这方面仍然具有自己的优势。尽管如此,通过采用固定频率操作、多相位合成技术和片内扩展频谱等技术,解决开关器件带来的噪声已取得了实质性的进展。

4. 以系统为基础规划整体解决方案,这包括多个层次的内容。一个例子是从供电的源泉电池开始,其指导思想是严格和精确地对电池进行电量测量,深入了解电池的容量特性,并根据学习到的电池特征有效地进行电源管理。同时,这对电池容量和性能的一致性提出了更高的要求。

5. 软件和硬件协同工作进行电源管理。在这方面动态电源管理(DPM)方案是一个实例,它的一种实现方式是通过嵌入在ARM内核中的管理软件动态地控制电能的供应情况,另一种方式是通过接口控制诸如Intel的Xscale处理器、TI的OMAP处理器的动态电源管理。由于智能电话和3G手机中将更多地采用操作系统,类似的软件和硬件协同电源管理架构在未来将越来越重要。同时,这也引发了如何建立这类软件和硬件的标准接口问题。

6. 工艺和封装技术将主导下一代的电源管理器件,包括能降低裸片尺寸、提高电容器件集成度的多层金属/聚合物工艺、能大幅度降低导线电阻的铜工艺、高电压工艺等；而更小尺寸,同时具有良好散热性能的封装技术也正在不断涌现。

7. 优化系统供电解决方案,这对下一代消费类电子产品尤其重要。以手持移动产品为例,显示/背光、CPU、数字基带射频和其它部分对电能的消耗分别为50%、25%、15%和10%,对其主要部分--显示/背光和CPU电路的功耗优化成为省电的关键。在这方面业界有多种解决方案,包括前面提及的软、硬件协同电源管理和使用高集成度开关电源等。

更高频率、更低功耗、更小尺寸、突破散热瓶颈、智能电源管理将是电源行业永恒的追求,而电源管理技术更是消费类电子产品的永恒主题。

作者:Yorbe Zhang

主编

《电子工程专辑》