杨洪强：电子系统朝高可靠性方向发展 电源管理芯片是根基
杨洪强：成都国腾微电子有限公司研发部主任
电源管理芯片的应用范围十分广泛，发展电源管理芯片对于提高整机性能具有重要意义，对电源管理芯片的选择与系统的需求直接相关，而数字电源管理芯片的发展还需跨越成本难关。
当今世界，人们的生活已是片刻也离不开电子设备。电源管理芯片在电子设备系统中担负起对电能的变换、分配、检测及其他电能管理的职责。电源管理芯片对电子系统而言是不可或缺的，其性能的优劣对整机的性能有着直接的影响。
电源管理提高整机性能
所有电子设备都有电源，但是不同的系统对电源的要求不同。为了发挥电子系统的最佳性能，需要选择最适合的电源管理方式。
首先，电子设备的核心是半导体芯片。而为了提高电路的密度，芯片的特征尺寸始终朝着减小的趋势发展，从最初的几十微米发展到目前的0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米乃至90纳米。由于在相同的电压下，电场强度随距离的减小而线性增加，如果电源电压还是原来的5V，产生的电场强度足以把芯片击穿。所以，目前的芯片工作电压已经从以前的5V降低到3.3V、2.5V、1.8V，甚至更低。这样，电子系统对电源电压的要求就发生了变化，也就是需要不同的降压型电源。为了在降压的同时保持高效率，一般会采用降压型开关电源。
同时，许多电子系统还需要高于供电电压的电源，比如在电池供电设备中，驱动液晶显示的背光电源，普通的白光LED驱动等，都需要对系统电源进行升压，这就需要用到升压型开关电源。
此外，现代电子系统正在向高速、高增益、高可靠性方向发展，电源上的微小干扰都对电子设备的性能有影响，这就需要在噪声、纹波等方面有优势的电源，需要对系统电源进行稳压、滤波等处理，这就需要用到线性电源。
上述不同的电源管理方式，可以通过相应的电源芯片，结合极少的外围元件，就能够实现。可见，发展电源管理芯片是提高整机性能的必不可少的手段。
芯片选择因事而异
电源管理的范畴比较广，既包括单独的电能变换(主要是直流到直流，即DC/DC)，单独的电能分配和检测，也包括电能变换和电能管理相结合的系统。相应的，电源管理芯片的分类也包括这些方面，比如线性电源芯片、电压基准芯片、开关电源芯片、LCD驱动芯片、LED驱动芯片、电压检测芯片、电池充电管理芯片等。下面简要介绍一下电源管理芯片的主要类型和应用情况。
如果所设计的电路要求电源有高的噪音和纹波抑制，要求占用PCB板面积小(如手机等手持电子产品)，电路电源不允许使用电感器(如手机)，电源需要具有瞬时校准和输出状态自检功能，要求稳压器压降及自身功耗低,线路成本低且方案简单，那么线性电源是最恰当的选择。这种电源包括如下的技术：精密的电压基准，高性能、低噪音的运放，低压降调整管，低静态电流。
在小功率供电、运放负电源、LCD/LED驱动等场合，常应用基于电容的开关电源芯片，也就是通常所说的电荷泵(Charge Pump)。基于电荷泵工作原理的芯片产品很多，比如AAT3113。这是一种由低噪声、恒定频率的电荷泵DC/DC转换器构成的白光LED驱动芯片。AAT3113采用分数倍(1.5×)转换以提高效率。该器件采用并联方式驱动4路LED。输入电压范围为2.7V～5.5V，可为每路输出提供约20mA的电流。该器件还具备热管理系统特性，以保护任何输出引脚所出现的短路。其嵌入的软启动电路可防止启动时的电流过冲。AAT3113利用简单串行控
制接口对芯片进行使能、关断和32级对数刻度亮度控制。
而基于电感的DC/DC芯片的应用范围最广泛，应用包括掌上电脑、相机、备用电池、便携式仪器、微型电话、电动机速度控制、显示偏置和颜色调整器等。主要的技术包括：BOOST结构电流模式环路稳定性分析，BUCK结构电压模式环路稳定性分析，BUCK结构电流模式环路稳定性分析，过流、过温、过压和软启动保护功能，同步整流技术分析，基准电压技术分析。
除了基本的电源变换芯片，电源管理芯片还包括以合理利用电源为目的的电源控制类芯片。如NiH电池智能快速充电芯片，锂离子电池充电、放电管理芯片，锂离子电池过压、过流、过温、短路保护芯片；在线路供电和备用电池之间进行切换管理的芯片，USB电源管理芯片；电荷泵，多路LDO供电，加电时序控制，多种保护，电池充放电管理的复杂电源芯片等。
目前的很多产品都在朝这个方向发展，因为这类产品的应用更加广泛，特别是在消费类电子方面。比如便携式DVD、手机、数码相机等，几乎用1块-2块电源管理芯片就能够提供复杂的多路电源，使系统的性能发挥到最佳。
数字电源弥补模拟芯片缺憾
电子设备所具备的功能越多、性能越高，其结构、技术、系统就越复杂，传统的模拟技术电源管理IC满足系统整体电源管理要求的难度也就越大，价格也更加昂贵。高性能全数字控制IC是目前智能化电源管理领域的发展趋势，有灵活、快速响应、高集成度以及高度可控的巨大优势。
目前全球只有一些老牌半导体厂商以及新兴的IC供应商率先投入到这个新的竞技场。TI、Microchip、Zilker Labs、iWatt、Silicon Labs等公司纷纷推出各自的数字电源产品。
数字控制器的核心主要由三个特殊模块组成：抗混叠(anti-aliasing)滤波器、模数转换器(ADC)和数字脉冲宽度调制器(DPWM)。为了达到与模拟控制架构同等的性能指标，必须具备高分辨率、高速和线性ADC以及高分辨率、高速PWM电路设计。ADC分辨率必须能够满足误差小于输出电压允许变化的范围，所需的输出电压纹波越小，则对ADC的分辨率要求越高。同时，由于抗混叠滤波器以及流水线式或SAR模数转换器会引入环路延时，所以我们迫切需要高采样速率的模数转换器。模拟控制器对所产生的可能脉冲宽度存在固有的限制，而DPWM可以产生离散和有限的PWM宽度集。从稳定状态下的输出角度看，只可能有一组离散的输出电压。由于DPWM是反馈环路中的一部分，因此DPWM的分辨率必须足够高才能使输出不显示众所周知的极限周值。不显示任何极限周值所需的最少位数取决于拓扑、输出电压和ADC分辨率。同时，系统的环路稳定性由PI或者PID控制器来调整。目前与模拟控制架构相比，数字控制架构的成本将大幅增加。
电源管理芯片的应用范围十分广泛，发展电源管理芯片对于提高整机性能具有重要意义，对电源管理芯片的选择与系统的需求直接相关，而数字电源管理芯片的发展还需跨越成本难关。
当今世界，人们的生活已是片刻也离不开电子设备。电源管理芯片在电子设备系统中担负起对电能的变换、分配、检测及其他电能管理的职责。电源管理芯片对电子系统而言是不可或缺的，其性能的优劣对整机的性能有着直接的影响。
电源管理提高整机性能
所有电子设备都有电源，但是不同的系统对电源的要求不同。为了发挥电子系统的最佳性能，需要选择最适合的电源管理方式。
首先，电子设备的核心是半导体芯片。而为了提高电路的密度，芯片的特征尺寸始终朝着减小的趋势发展，从最初的几十微米发展到目前的0.5微米、0.35微米、0.25微米、0.18微米乃至90纳米。由于在相同的电压下，电场强度随距离的减小而线性增加，如果电源电压还是原来的5V，产生的电场强度足以把芯片击穿。所以，目前的芯片工作电压已经从以前的5V降低到3.3V、2.5V、1.8V，甚至更低。这样，电子系统对电源电压的要求就发生了变化，也就是需要不同的降压型电源。为了在降压的同时保持高效率，一般会采用降压型开关电源。
同时，许多电子系统还需要高于供电电压的电源，比如在电池供电设备中，驱动液晶显示的背光电源，普通的白光LED驱动等，都需要对系统电源进行升压，这就需要用到升压型开关电源。
此外，现代电子系统正在向高速、高增益、高可靠性方向发展，电源上的微小干扰都对电子设备的性能有影响，这就需要在噪声、纹波等方面有优势的电源，需要对系统电源进行稳压、滤波等处理，这就需要用到线性电源。
上述不同的电源管理方式，可以通过相应的电源芯片，结合极少的外围元件，就能够实现。可见，发展电源管理芯片是提高整机性能的必不可少的手段。
芯片选择因事而异
电源管理的范畴比较广，既包括单独的电能变换(主要是直流到直流，即DC/DC)，单独的电能分配和检测，也包括电能变换和电能管理相结合的系统。相应的，电源管理芯片的分类也包括这些方面，比如线性电源芯片、电压基准芯片、开关电源芯片、LCD驱动芯片、LED驱动芯片、电压检测芯片、电池充电管理芯片等。下面简要介绍一下电源管理芯片的主要类型和应用情况。
如果所设计的电路要求电源有高的噪音和纹波抑制，要求占用PCB板面积小(如手机等手持电子产品)，电路电源不允许使用电感器(如手机)，电源需要具有瞬时校准和输出状态自检功能，要求稳压器压降及自身功耗低,线路成本低且方案简单，那么线性电源是最恰当的选择。这种电源包括如下的技术：精密的电压基准，高性能、低噪音的运放，低压降调整管，低静态电流。
在小功率供电、运放负电源、LCD/LED驱动等场合，常应用基于电容的开关电源芯片，也就是通常所说的电荷泵(Charge Pump)。基于电荷泵工作原理的芯片产品很多，比如AAT3113。这是一种由低噪声、恒定频率的电荷泵DC/DC转换器构成的白光LED驱动芯片。AAT3113采用分数倍(1.5×)转换以提高效率。该器件采用并联方式驱动4路LED。输入电压范围为2.7V～5.5V，可为每路输出提供约20mA的电流。该器件还具备热管理系统特性，以保护任何输出引脚所出现的短路。其嵌入的软启动电路可防止启动时的电流过冲。AAT3113利用简单串行控
制接口对芯片进行使能、关断和32级对数刻度亮度控制。
而基于电感的DC/DC芯片的应用范围最广泛，应用包括掌上电脑、相机、备用电池、便携式仪器、微型电话、电动机速度控制、显示偏置和颜色调整器等。主要的技术包括：BOOST结构电流模式环路稳定性分析，BUCK结构电压模式环路稳定性分析，BUCK结构电流模式环路稳定性分析，过流、过温、过压和软启动保护功能，同步整流技术分析，基准电压技术分析。
除了基本的电源变换芯片，电源管理芯片还包括以合理利用电源为目的的电源控制类芯片。如NiH电池智能快速充电芯片，锂离子电池充电、放电管理芯片，锂离子电池过压、过流、过温、短路保护芯片；在线路供电和备用电池之间进行切换管理的芯片，USB电源管理芯片；电荷泵，多路LDO供电，加电时序控制，多种保护，电池充放电管理的复杂电源芯片等。
目前的很多产品都在朝这个方向发展，因为这类产品的应用更加广泛，特别是在消费类电子方面。比如便携式DVD、手机、数码相机等，几乎用1块-2块电源管理芯片就能够提供复杂的多路电源，使系统的性能发挥到最佳。
数字电源弥补模拟芯片缺憾
电子设备所具备的功能越多、性能越高，其结构、技术、系统就越复杂，传统的模拟技术电源管理IC满足系统整体电源管理要求的难度也就越大，价格也更加昂贵。高性能全数字控制IC是目前智能化电源管理领域的发展趋势，有灵活、快速响应、高集成度以及高度可控的巨大优势。
目前全球只有一些老牌半导体厂商以及新兴的IC供应商率先投入到这个新的竞技场。TI、Microchip、Zilker Labs、iWatt、Silicon Labs等公司纷纷推出各自的数字电源产品。
数字控制器的核心主要由三个特殊模块组成：抗混叠(anti-aliasing)滤波器、模数转换器(ADC)和数字脉冲宽度调制器(DPWM)。为了达到与模拟控制架构同等的性能指标，必须具备高分辨率、高速和线性ADC以及高分辨率、高速PWM电路设计。ADC分辨率必须能够满足误差小于输出电压允许变化的范围，所需的输出电压纹波越小，则对ADC的分辨率要求越高。同时，由于抗混叠滤波器以及流水线式或SAR模数转换器会引入环路延时，所以我们迫切需要高采样速率的模数转换器。模拟控制器对所产生的可能脉冲宽度存在固有的限制，而DPWM可以产生离散和有限的PWM宽度集。从稳定状态下的输出角度看，只可能有一组离散的输出电压。由于DPWM是反馈环路中的一部分，因此DPWM的分辨率必须足够高才能使输出不显示众所周知的极限周值。不显示任何极限周值所需的最少位数取决于拓扑、输出电压和ADC分辨率。同时，系统的环路稳定性由PI或者PID控制器来调整。目前与模拟控制架构相比，数字控制架构的成本将大幅增加。