集成功率無(wú)源器件和戰(zhàn)術(shù)權(quán)衡以實(shí)現(xiàn)電源效率：應(yīng)用需求平衡權(quán)衡

電源效率是任何設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素。電源管理變得越來(lái)越復(fù)雜，在搜索中，每一微安都很重要，以延長(zhǎng)電池壽命或最大限度地減少熱量。本應(yīng)用筆記探討了矛盾的工程權(quán)衡，例如降低開(kāi)關(guān)電源的紋波以及管理待機(jī)和睡眠模式下的電源，以實(shí)現(xiàn)更高的電源效率。

介紹

電源效率 - 我們?cè)谠O(shè)計(jì)中都必須處理它。電源管理始終是任何設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素，如今電源管理是一個(gè)特別復(fù)雜和困難的話題，因?yàn)槲覀儽仨氂?jì)算每一微安，以延長(zhǎng)電池壽命或最大限度地減少熱量。有時(shí)，作為一名設(shè)計(jì)工程師，感覺(jué)就像走鋼絲一樣。我們通過(guò)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(yīng)用需求平衡權(quán)衡。

本應(yīng)用筆記是關(guān)于電源效率系列的第二篇。第一篇是應(yīng)用筆記5569，“集成電源無(wú)源器件和戰(zhàn)術(shù)權(quán)衡以實(shí)現(xiàn)電源效率：第1部分，和諧——像交響樂(lè)指揮一樣的設(shè)計(jì)”，討論了設(shè)計(jì)工程師如何識(shí)別電源結(jié)構(gòu)中可能對(duì)電源效率產(chǎn)生負(fù)面影響的微小缺陷。像音樂(lè)指揮家一樣，工程師控制功率參數(shù)，從而形成和諧、高效的系統(tǒng)......或者相反，不太理想的東西。在本應(yīng)用說(shuō)明中，我們將繼續(xù)探討許多矛盾、不協(xié)調(diào)和矛盾的工程權(quán)衡。事實(shí)上，如果我們仔細(xì)觀察，我們會(huì)在每一個(gè)設(shè)計(jì)決策中取得平衡。

看似微小的變化的持久影響

電路設(shè)計(jì)的普遍挑戰(zhàn)（有時(shí)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(gè)難以捉摸的目標(biāo)，甚至對(duì)沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的人來(lái)說(shuō)顯得荒謬。然而，每一個(gè)看似微小的變化都會(huì)產(chǎn)生影響。

聰明的電源設(shè)計(jì)人員將電感器移動(dòng)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(guān)重要的地方。2沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員試圖節(jié)省幾分錢(qián)，并在使用具有較高等效串聯(lián)電阻（ESR）的劣質(zhì)電容器時(shí)損失能量作為熱量。相反，通過(guò)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(dāng)應(yīng)用程序具有已知的敏感帶寬要求時(shí)，此技術(shù)會(huì)有所幫助。通過(guò)了解應(yīng)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(xì)看看我們可用的一些設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)和權(quán)衡，以及我們?nèi)绾瓮ㄟ^(guò)權(quán)衡來(lái)協(xié)商每個(gè)挑戰(zhàn)和權(quán)衡。

減少紋波

開(kāi)關(guān)電源具有輸出紋波。一種方法是使用濾波來(lái)減少這種紋波。另一種方法是通過(guò)使用多個(gè)時(shí)間交錯(cuò)的切換器來(lái)減少紋波。最常見(jiàn)的方法是使用兩相或三相器件。兩個(gè)或三個(gè)同步紋波序列組合在一起的事實(shí)減少了紋波。很好，是的，但元件數(shù)量需要權(quán)衡：通常需要兩個(gè)或三個(gè)較小的電感器（每相一個(gè)）。

另一個(gè)主要考慮因素是電壓允許的紋波。在GSM手機(jī)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(méi)有簡(jiǎn)單的答案。它成為優(yōu)化功率解耦的迭代過(guò)程。電路板布局、電容尺寸和電介質(zhì)對(duì)系統(tǒng)復(fù)雜性有很大影響。此外，在不過(guò)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(gè)電路的電流利用率

讓我們談?wù)劧询B電路。假設(shè)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(kāi)關(guān)電源，并在少量熱損失的情況下產(chǎn)生2.5V。將電路一個(gè)堆疊在另一個(gè)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(shí)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(huì)產(chǎn)生額外的熱量。然而，有一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)檫M(jìn)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(gè)信號(hào)更簡(jiǎn)單，功耗更低，產(chǎn)生的熱量更少。

開(kāi)關(guān)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(kāi)關(guān)電源中的真實(shí)電感器那樣存儲(chǔ)能量，但它們可以方便地用作低通功率濾波器。開(kāi)關(guān)電源可以利用抽頭電感器、自耦變壓器和具有多個(gè)繞組的實(shí)際變壓器進(jìn)行隔離。最有效的電源是與其負(fù)載相匹配的電源。了解系統(tǒng)應(yīng)用可以調(diào)節(jié)主電源并允許子電源操作開(kāi)環(huán)。6

耗散功率和降低電壓

用于互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）（圖1）的邏輯電路以兩種方式耗散功率：通過(guò)泄漏和通過(guò)開(kāi)關(guān)時(shí)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(wú)論是反向偏置結(jié)電流還是亞閾值電流，通常都是功率損失，因?yàn)樗鼘?duì)手頭的工作沒(méi)有貢獻(xiàn)。工作或動(dòng)態(tài)功率通常比漏電流大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。參見(jiàn)圖2。

圖1.典型的CMOS輸入電路。

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

關(guān)于開(kāi)關(guān)還有更多要說(shuō)的：開(kāi)關(guān)頻率越高，功率損耗越高。開(kāi)關(guān)帶來(lái)的最大節(jié)能來(lái)自降低工作電壓。將電壓分頻二，同時(shí)保持電容和頻率，可將功耗降低四倍。這可以通過(guò)公式 P = CV 來(lái)解釋2f，其中術(shù)語(yǔ)是功率、電容、電壓和頻率。所有項(xiàng)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(huì)產(chǎn)生如此大的影響。

電壓降低帶來(lái)了其他權(quán)衡。較低的電壓擺幅會(huì)使抗噪性成為問(wèn)題。如果選擇半電壓時(shí)鐘，則必須上下轉(zhuǎn)換電壓。金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）晶體管變慢，因?yàn)?a href="http://www.ttokpm.com/tags/閾值電壓/" target="_blank">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(gè)主要問(wèn)題。

降低電容

在設(shè)計(jì)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(quán)衡兩者。我們總是盡可能降低寄生電容;對(duì)于不可避免的電容，我們嘗試降低頻率。9降低開(kāi)關(guān)頻率的一種有效方法是使用時(shí)鐘門(mén)控停止時(shí)鐘。這消除了任何開(kāi)關(guān)，并消除了當(dāng)前功能不需要的電路的電源。某些處理器休眠時(shí)時(shí)鐘頻率大大降低。它們可能使用 32kHz 時(shí)鐘，而不是兆赫茲時(shí)鐘速率。32kHz晶體是常見(jiàn)的手表頻率。通過(guò)這種方式，處理器可以準(zhǔn)確跟蹤時(shí)間并以精確的間隔喚醒。

在待機(jī)和睡眠模式下管理電源

了解應(yīng)用的工作與待機(jī)或睡眠模式的比率對(duì)于優(yōu)化功耗至關(guān)重要。IC制造過(guò)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(dāng)電池供電的設(shè)備在更換電池之間必須持續(xù)10年時(shí)，工程師們就開(kāi)始考慮這個(gè)問(wèn)題。這些設(shè)備包括住宅天然氣和水表，以及煙霧和一氧化碳 （CO） 報(bào)警器。另一個(gè)引人注目的例子是帶時(shí)鐘的微波爐。時(shí)鐘 24/7 全天候供電，微波爐每天使用幾分鐘，因此烤箱和時(shí)鐘一年的電力成本可能相等?！拔砹α俊本褪俏覀兯f(shuō)的在睡眠期間或操作似乎關(guān)閉時(shí)使用的看不見(jiàn)的力量。

我們可以使用另一個(gè)假設(shè)的例子來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。我們有兩種IC工藝。場(chǎng)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(dá)250nA。方案 B 中的這種泄漏嚴(yán)重影響了電池供電的應(yīng)用，其中設(shè)備必須在 99.99% 以上的時(shí)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(shè)備是86，400分之一。對(duì)于場(chǎng)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(duì)于場(chǎng)景 B，總計(jì)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(chǎng)景B有了“改進(jìn)”，新的更低工作電流實(shí)際上表現(xiàn)更差！冒著說(shuō)教太多的風(fēng)險(xiǎn)，這個(gè)例子強(qiáng)調(diào)了很好地理解IC制造過(guò)程的應(yīng)用和相互作用的必要性。

如何降低需要遠(yuǎn)程控制的消費(fèi)類電器的待機(jī)功耗？有許多可能的答案。如果電源指示燈對(duì)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(jī)功耗的另一種選擇是使紅外輻射 （IR） 接收器大部分時(shí)間處于睡眠狀態(tài)。為此，按下“ON”按鈕時(shí)遙控器必須打開(kāi)兩秒鐘;“ON”紅外代碼由重復(fù)的“ON”代碼調(diào)制，這些代碼對(duì)于此類設(shè)備是唯一的。設(shè)備（包括用于識(shí)別 IR 代碼的微處理器）盡可能關(guān)閉。當(dāng)IR接收器喚醒時(shí)，它有一個(gè)帶通濾波器，允許IR調(diào)制通過(guò)并整流其輸出。這使得接收器忽略其他頻率的陽(yáng)光和紅外遙控器。檢測(cè)到 IR 調(diào)制時(shí)，微處理器會(huì)打開(kāi)以查看 IR 代碼是否與此設(shè)備的代碼匹配。它可以使用兩秒“ON”命令的其余部分來(lái)執(zhí)行此操作。如果代碼匹配，設(shè)備將喚醒。如果代碼不匹配，設(shè)備將重新進(jìn)入睡眠狀態(tài)。這種方法降低了電路在待機(jī)模式下的工作功耗，并使用帶通整流的“ON”信號(hào)來(lái)最大程度地減少錯(cuò)誤喚醒呼叫的可能性。

這里還有另一個(gè)重要情況需要考慮。如果輸入交流電源丟失會(huì)怎樣？在人們使用遙控器將其打開(kāi)之前，設(shè)備會(huì)保持關(guān)閉狀態(tài)嗎？在這里，我們需要考慮設(shè)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(fēng)機(jī)或加熱設(shè)備在沒(méi)有通知的情況下打開(kāi)并引發(fā)火災(zāi)。

管理模式以延長(zhǎng)電池壽命

了解電源負(fù)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(dòng)或調(diào)節(jié)容差的能力進(jìn)行分類。10

具有嚴(yán)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(yùn)算放大器和具有良好電源抑制比（PSRR）的電路

具有嚴(yán)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(yán)格電壓容差的數(shù)字電路：CPU 和存儲(chǔ)器

具有寬松電壓容差的數(shù)字電路：隨機(jī)邏輯和狀態(tài)機(jī)

手機(jī)是模式更改如何延長(zhǎng)電池壽命的一個(gè)例子。當(dāng)電池幾乎充滿電時(shí)，開(kāi)關(guān)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(dāng)電池電壓下降時(shí)，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(zhǎng)電池壽命。從這個(gè)例子中，我們可以理解了解電源負(fù)載及其靈敏度如何成為延長(zhǎng)電池壽命的優(yōu)勢(shì)。

現(xiàn)代智能手機(jī)可以在不同的模式下運(yùn)行，每種模式都有自己的電源問(wèn)題。在這里，成功提高電源效率的關(guān)鍵是充分了解應(yīng)用。在高功率下，它可以作為全雙工模式下的電話運(yùn)行，同時(shí)發(fā)送和接收。傳輸對(duì)用戶來(lái)說(shuō)可能是連續(xù)的。然而，工程師可能會(huì)看到系統(tǒng)在時(shí)隙中傳輸時(shí)的脈動(dòng)功率（時(shí)分多址，或TDMA，早期的全球移動(dòng)系統(tǒng)（GSM）通信），或者在直接序列擴(kuò)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(huì)發(fā)生變化以適應(yīng)特定的操作配置。再次以智能手機(jī)為例，它可能有十幾種或更多的操作模式，例如飛行模式（無(wú)無(wú)線電傳輸）;僅無(wú)線傳輸;MP3播放器;帶開(kāi)、關(guān)或暗顯示的逐向指示;游戲模式;純文本;照相機(jī);Skype;電子書(shū)閱讀器;和數(shù)以千計(jì)的應(yīng)用程序。在這些模式下，有機(jī)會(huì)通過(guò)關(guān)閉不需要的電路來(lái)延長(zhǎng)電池壽命。

結(jié)論

知識(shí)就是力量。對(duì)應(yīng)用程序的詳細(xì)了解是設(shè)計(jì)師可以使用的最強(qiáng)大的工具。它決定了問(wèn)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(zhǎng)電池壽命，并最終為用戶提供愉快的操作體驗(yàn)。

對(duì)于大多數(shù)工程師和讀者來(lái)說(shuō)，這一切似乎都是顯而易見(jiàn)的。然而，優(yōu)化電源效率的任務(wù)和努力并不像看起來(lái)那么簡(jiǎn)單。對(duì)于每個(gè)挑戰(zhàn)，尤其是每個(gè)決定，電源設(shè)計(jì)人員都必須平衡權(quán)衡，就像走在緊繩上一樣。即使是其他看似無(wú)關(guān)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(shè)計(jì)過(guò)程必須是迭代的，改變一些小東西來(lái)優(yōu)化系統(tǒng)的整體功耗。這也是為什么一個(gè)經(jīng)驗(yàn)豐富的電源設(shè)計(jì)師可以在延長(zhǎng)電池壽命方面發(fā)揮作用的原因。

審核編輯：郭婷