高效电源管理方案

消费者需要安全的生活环境，并希望充分发挥创新潜能以保护我们的地球。消费需求正在驱动着一个全新的市场发展大趋势，关注的焦点是再生能源、医疗诊断与检测设备以及无处不在的个人移动设备等。

低能耗高效率是电子产品市场追求的目标。为了更好地保护能源，人类在减少能源消耗的同时还要努力提高能源使用效率。2009年电子产品市场的主流仍然是低能耗高效率。为此各个半导体厂商开发出不同的高能效电源解决方案，下面简介一些高能效电源管理方案。

　　自适应电压调节技术

美国国家半导体(NS)的PowerWise是高能源效率产品系列，采用自适应电压调节(AVS)架构。AVS可以利用电源管理技术调整供电电压，也可以利用内部供电调整技术调整输出，确保数字CMOS逻辑电路的功耗可以大幅减少;AVS可以主动监视数字电路的工作情况，并根据其实际用电需要提供适量的供电。AVS比传统的固定电压系统节省高达64%的耗电(见图1)。

举例说明PowerWire系列产品的一个高效率应用方案。许多应用要求输入电压范围比较大(如汽车应用，汽车电池一般为12V或24V，在尖峰情况下可能会达到40V)。由于输入电压很高而输出电压很低(或输出电流很高)，因此需要使用大降压比的转换器。具有大降压比和低输出电压特性的功率转换器一般采用两级转换，第一级转换是将高输入电压转换为中间电压，第二级转换则将中间电压转换为需要的低输出电压。效率是两级转换器所需关注的一个主要问题。尽管个别级的转换可以达到较高的效率，但是整体效率却可能很低，整体效率仅在60%~70%左右，因为整体效率是各转换级效率之乘积。

与两级转换相比，宽输入和低反馈电压的同步降压转换器具有更高的效率，例如NS公司的LM3103(属于PowerWire系列产品的一款产品，输入电压可高达42V，输出电压可低至0.6V)单级转换效率比两级转换器的整体效率高出5%~10%(图2)。LM3103的应用电路示于图3。

　　数字降频技术

在能源问题受到越来越多广泛关注的今天，大部分电源标准不仅规定了满载时的效率，而且还规定了整个负载范围的平均效率，例如Energy Star 2.0规定的平均效率为87%。数字降频方法可以更方便地提高平均效率。

准谐振反激式变换器的开关损耗比固定频率的反激式变换器低，而且EM1性能更好，所以这种变换器得到广泛的应用。准谐振反激式变换器面临的挑战之一是其开关频率随输出功率的下降而上升。这低消了通过准谐振方式工作而带来的效率提升，特别是在中等负载或低负载条件下。为了解决这一问题，英飞凌的准谐振PWM控制器ICE 2QS02G采用了数字降频方法。此器件同时采用数字信号处理电路和模拟信号处理电路。数字信号处理电路包括一个加/减计数器、一个过零信号计数器和一个数字平均器;模拟电路包括一个电流测量单元和一个平均器。导通和关断的时间点分别由数字电路和模拟电路决定。在满载和轻载条件下，数字降频使MOSFET分别在不同的过零信号点导通。在轻载工作条件下，开关频率被有效地降低到一个相当低的水平，同时开关动作仍有效进行，从而确保了轻载时的高效率。为了验证数字降频方法对提升效率所具有的效果，英飞凌设计了两种采用ICE2QS02G且不带同步整流的准谐振反激式变换器原型，其效率测试结果示于图4。从图4所示效率测试结果可以看出，采用数字降频方法可以显著地提高系统的综合效率，从图4(b)还可看出采用CoolMOS 800V的方案甚至在低电压和高电压两种条件下都达到90%的超高效率。

　　多相变换器

预测到2010年处理器将工作在1V和100A，到2020年希望处理器的电源电压将是0.7V和更高电流。处理器工作在1V，100A(或更高)和GHz频率时的高效电源管理(采用当今的元件和技术可达到的效率为70%~80%)成为设计人员面对的困难任务。

可以满足当今处理器电源要求的唯一拓扑是多相开关模式变换器。这种拓扑采用两个或更多相同组合单元，把这些单元的输出连接起来，其输出是所有单元输出的总和。随着工作电流要求的增高，需要有更多的单元(相)。一个最佳的设计需要折衷考虑相数、每个相的电流、开关频率、成本、尺寸和效率。更高的输出电流和更低的电压，需要更严格的输出电流调整。多相设计可采用几种实用的方法。

● 采用带集成MOSFET驱动器的PWM控制器IC。然而，片上栅极驱动器产生的热和噪声会影响控制器性能。级连这类芯片以增加更多相是不现实的。用这种配置实现精确的电流均分是困难的，这种方法三相是限制相数。

● 采用分离的控制器和分离的栅极驱动器，使PWM控制器与栅极驱动器的热和噪声隔离。然而，电流均分会更复杂，因为电流感