集成功率無源器件和戰(zhàn)術權衡以實現(xiàn)電源效率

電源效率是任何設計的關鍵要素。電源管理變得越來越復雜，在搜索中，每一微安都很重要，以延長電池壽命或最大限度地減少熱量。本應用筆記探討了矛盾的工程權衡，例如降低開關電源的紋波以及管理待機和睡眠模式下的電源，以實現(xiàn)更高的電源效率。

介紹

電源效率 - 我們在設計中都必須處理它。電源管理始終是任何設計的關鍵要素，如今電源管理是一個特別復雜和困難的話題，因為我們必須計算每一微安，以延長電池壽命或最大限度地減少熱量。有時，作為一名設計工程師，感覺就像走鋼絲一樣。我們通過迭代求解，重新審視各種操作模式，重新定義條件，并根據(jù)應用需求平衡權衡。

看似微小的變化的持久影響

電路設計的普遍挑戰(zhàn)（有時甚至是詛咒）是用最少的元件降低電源的噪聲和紋波。這是電源效率的核心。它可能是一個難以捉摸的目標，甚至對沒有經(jīng)驗的人來說顯得荒謬。然而，每一個看似微小的變化都會產(chǎn)生影響。

聰明的電源設計人員將電感器移動八分之一英寸，并在電路板上旋轉(zhuǎn)90度。因此，電源效率提高了 20%。這就是功率去耦電容和輸入源阻抗或電阻至關重要的地方。2沒有經(jīng)驗的設計人員試圖節(jié)省幾分錢，并在使用具有較高等效串聯(lián)電阻（ESR）的劣質(zhì)電容器時損失能量作為熱量。相反，通過增加串聯(lián)電感、電阻和鐵氧體磁珠，將其制成低通濾波器，可以提高電源去耦電容器的有效性。當應用程序具有已知的敏感帶寬要求時，此技術會有所幫助。通過了解應用的帶寬需求，我們可以優(yōu)化噪聲抑制并減小去耦電容尺寸。3讓我們仔細看看我們可用的一些設計挑戰(zhàn)和權衡，以及我們?nèi)绾瓮ㄟ^權衡來協(xié)商每個挑戰(zhàn)和權衡。

減少紋波

開關電源具有輸出紋波。一種方法是使用濾波來減少這種紋波。另一種方法是通過使用多個時間交錯的切換器來減少紋波。最常見的方法是使用兩相或三相器件。兩個或三個同步紋波序列組合在一起的事實減少了紋波。很好，是的，但元件數(shù)量需要權衡：通常需要兩個或三個較小的電感器（每相一個）。

另一個主要考慮因素是電壓允許的紋波。在GSM手機的情況下，功率脈沖發(fā)生在217Hz及其諧波。電池的內(nèi)部阻抗隨電流消耗而變化，因此電池兩端的去耦電容非常重要。需要多大的電容？沒有簡單的答案。它成為優(yōu)化功率解耦的迭代過程。電路板布局、電容尺寸和電介質(zhì)對系統(tǒng)復雜性有很大影響。此外，在不過度清潔的情況下使電源盡可能清潔很容易需要額外的電源去耦電容器或電容。

最大化多個電路的電流利用率

讓我們談談堆疊電路。假設我們有兩組數(shù)字電路，它們消耗相似的電流量。這些電路的輸入和輸出很少，可以工作在大約2.5V，但電源為5V。我們可以使用降壓開關電源，并在少量熱損失的情況下產(chǎn)生2.5V。將電路一個堆疊在另一個之上怎么樣？例如，電路1的工作電壓范圍為地至2.5V，電路2的工作電壓范圍為2.5V至5V。實際上，我們正在使用電流兩次。電路1和電路2的功耗保持不變，降壓轉(zhuǎn)換器不會產(chǎn)生額外的熱量。然而，有一個缺點，因為進出電路的電壓需要上下轉(zhuǎn)換。與降壓轉(zhuǎn)換器相比，轉(zhuǎn)換幾個信號更簡單，功耗更低，產(chǎn)生的熱量更少。

開關電源

回轉(zhuǎn)器將電容轉(zhuǎn)換為電感。雖然回轉(zhuǎn)器不能像開關電源中的真實電感器那樣存儲能量，但它們可以方便地用作低通功率濾波器。開關電源可以利用抽頭電感器、自耦變壓器和具有多個繞組的實際變壓器進行隔離。最有效的電源是與其負載相匹配的電源。了解系統(tǒng)應用可以調(diào)節(jié)主電源并允許子電源操作開環(huán)。

耗散功率和降低電壓

用于互補金屬氧化物半導體（CMOS）（圖1）的邏輯電路以兩種方式耗散功率：通過泄漏和通過開關時的充電和放電電容。泄漏往往取決于IC工藝。隨著晶體管尺寸的縮小，電源電壓降低，絕緣層變薄。漏電流，無論是反向偏置結電流還是亞閾值電流，通常都是功率損失，因為它對手頭的工作沒有貢獻。工作或動態(tài)功率通常比漏電流大幾個數(shù)量級。參見圖2。

圖2.CMOS輸入引腳上的電壓與電源電流的關系數(shù)據(jù)為MAX5391數(shù)字電位器。

關于開關還有更多要說的：開關頻率越高，功率損耗越高。開關帶來的最大節(jié)能來自降低工作電壓。將電壓分頻二，同時保持電容和頻率，可將功耗降低四倍。這可以通過公式 P = CV 來解釋2f，其中術語是功率、電容、電壓和頻率。所有項都是線性的，除了電壓，它是二次的。這就解釋了為什么電壓會產(chǎn)生如此大的影響。

電壓降低帶來了其他權衡。較低的電壓擺幅會使抗噪性成為問題。如果選擇半電壓時鐘，則必須上下轉(zhuǎn)換電壓。金屬氧化物半導體（MOS）晶體管變慢，因為閾值電壓不能隨電壓縮放。如果您需要避免不成比例的漏電流，這可能是一個主要問題。

降低電容

在設計中降低電容一直是提高性能和降低功耗的好方法。電容分為兩類：寄生電容和不可避免電容。7, 8由于電容和頻率的乘積很重要，因此我們可以權衡兩者。我們總是盡可能降低寄生電容;對于不可避免的電容，我們嘗試降低頻率。9降低開關頻率的一種有效方法是使用時鐘門控停止時鐘。這消除了任何開關，并消除了當前功能不需要的電路的電源。某些處理器休眠時時鐘頻率大大降低。它們可能使用 32kHz 時鐘，而不是兆赫茲時鐘速率。32kHz晶體是常見的手表頻率。通過這種方式，處理器可以準確跟蹤時間并以精確的間隔喚醒。

在待機和睡眠模式下管理電源

了解應用的工作與待機或睡眠模式的比率對于優(yōu)化功耗至關重要。IC制造過程以一些微妙的方式極大地影響功耗，我們將在下面討論。幾年前，當電池供電的設備在更換電池之間必須持續(xù)10年時，工程師們就開始考慮這個問題。這些設備包括住宅天然氣和水表，以及煙霧和一氧化碳 （CO） 報警器。另一個引人注目的例子是帶時鐘的微波爐。時鐘 24/7 全天候供電，微波爐每天使用幾分鐘，因此烤箱和時鐘一年的電力成本可能相等?！拔砹α俊本褪俏覀兯f的在睡眠期間或操作似乎關閉時使用的看不見的力量。

我們可以使用另一個假設的例子來說明這個問題。我們有兩種IC工藝。場景A在工作期間消耗15mA電流，在休眠模式下消耗50nA電流。我們將方案B的工作電流降至6mA，但漏電流高達250nA。方案 B 中的這種泄漏嚴重影響了電池供電的應用，其中設備必須在 99.99% 以上的時間內(nèi)休眠，以便電池持續(xù)使用多年。每天喚醒一秒鐘的設備是86，400分之一。對于場景 A，每天使用的總電流為 0.01932 安培秒（即，工作期間為 0.015 安培秒，睡眠模式下為 0.00432 安培秒）。對于場景 B，總計為 0.02760 安培秒（即，工作期間為 0.006 安培秒，睡眠模式下為 0.0216 安培秒）。驚喜。場景B有了“改進”，新的更低工作電流實際上表現(xiàn)更差！冒著說教太多的風險，這個例子強調(diào)了很好地理解IC制造過程的應用和相互作用的必要性。

如何降低需要遠程控制的消費類電器的待機功耗？有許多可能的答案。如果電源指示燈對于客戶信心是必要的，那么我們可以使LED閃爍幾微秒，這比人類的閃爍短，因此很容易被人們看到。

降低待機功耗的另一種選擇是使紅外輻射 （IR） 接收器大部分時間處于睡眠狀態(tài)。為此，按下“ON”按鈕時遙控器必須打開兩秒鐘;“ON”紅外代碼由重復的“ON”代碼調(diào)制，這些代碼對于此類設備是唯一的。設備（包括用于識別 IR 代碼的微處理器）盡可能關閉。當IR接收器喚醒時，它有一個帶通濾波器，允許IR調(diào)制通過并整流其輸出。這使得接收器忽略其他頻率的陽光和紅外遙控器。檢測到 IR 調(diào)制時，微處理器會打開以查看 IR 代碼是否與此設備的代碼匹配。它可以使用兩秒“ON”命令的其余部分來執(zhí)行此操作。如果代碼匹配，設備將喚醒。如果代碼不匹配，設備將重新進入睡眠狀態(tài)。這種方法降低了電路在待機模式下的工作功耗，并使用帶通整流的“ON”信號來最大程度地減少錯誤喚醒呼叫的可能性。

這里還有另一個重要情況需要考慮。如果輸入交流電源丟失會怎樣？在人們使用遙控器將其打開之前，設備會保持關閉狀態(tài)嗎？在這里，我們需要考慮設備的安全性，也許還需要考慮操作環(huán)境。例如，我們不希望烤箱、吹風機或加熱設備在沒有通知的情況下打開并引發(fā)火災。

管理模式以延長電池壽命

了解電源負載的確切行為使我們能夠自定義模式更改以匹配電池條件。電路可以根據(jù)其接受電壓擺動或調(diào)節(jié)容差的能力進行分類。

具有嚴格穩(wěn)壓容差要求的模擬電路：ADC、DAC、RF功率放大器

具有更寬穩(wěn)壓容差的模擬電路：運算放大器和具有良好電源抑制比（PSRR）的電路

具有嚴格電壓容差的數(shù)字電路：輸入和輸出 （I/O） 以及外部接口

具有中等嚴格電壓容差的數(shù)字電路：CPU 和存儲器

具有寬松電壓容差的數(shù)字電路：隨機邏輯和狀態(tài)機

手機是模式更改如何延長電池壽命的一個例子。當電池幾乎充滿電時，開關可以直接向某些電路提供電池電壓，而將降壓轉(zhuǎn)換器用于其他電路。當電池電壓下降時，降壓轉(zhuǎn)換器的電源可以切換為直接接收電池電源。此外，隨著電池電壓的持續(xù)下降，電壓可能需要升壓轉(zhuǎn)換器以最大限度地延長電池壽命。從這個例子中，我們可以理解了解電源負載及其靈敏度如何成為延長電池壽命的優(yōu)勢。

現(xiàn)代智能手機可以在不同的模式下運行，每種模式都有自己的電源問題。在這里，成功提高電源效率的關鍵是充分了解應用。在高功率下，它可以作為全雙工模式下的電話運行，同時發(fā)送和接收。傳輸對用戶來說可能是連續(xù)的。然而，工程師可能會看到系統(tǒng)在時隙中傳輸時的脈動功率（時分多址，或TDMA，早期的全球移動系統(tǒng)（GSM）通信），或者在直接序列擴頻系統(tǒng)（碼分多址，或CDMA）中看到更連續(xù)的功耗。

操作模式也會發(fā)生變化以適應特定的操作配置。再次以智能手機為例，它可能有十幾種或更多的操作模式，例如飛行模式（無無線電傳輸）;僅無線傳輸;MP3播放器;帶開、關或暗顯示的逐向指示;游戲模式;純文本;照相機;Skype;電子書閱讀器;和數(shù)以千計的應用程序。在這些模式下，有機會通過關閉不需要的電路來延長電池壽命。

結論

知識就是力量。對應用程序的詳細了解是設計師可以使用的最強大的工具。它決定了問題的界限，但仍然允許聰明的工程師創(chuàng)造性地思考，減小尺寸和成本，延長電池壽命，并最終為用戶提供愉快的操作體驗。

對于大多數(shù)工程師和讀者來說，這一切似乎都是顯而易見的。然而，優(yōu)化電源效率的任務和努力并不像看起來那么簡單。對于每個挑戰(zhàn)，尤其是每個決定，電源設計人員都必須平衡權衡，就像走在緊繩上一樣。即使是其他看似無關的電路上的微小變化的相互作用也需要不斷保持警惕。因此，我們的設計過程必須是迭代的，改變一些小東西來優(yōu)化系統(tǒng)的整體功耗。這也是為什么一個經(jīng)驗豐富的電源設計師可以在延長電池壽命方面發(fā)揮作用的原因。

審核編輯：郭婷