從電源的角度來(lái)說(shuō)，過(guò)去數(shù)十年間，業(yè)界持續(xù)專注于提升大規(guī)模運(yùn)算和信號(hào)處理的效能。與此同時(shí)，電子和IT系統(tǒng)的服務(wù)需求呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，尤其是人工智能和物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)的快速發(fā)展讓智能化理念逐漸滲透到人們生活的方方面面，推動(dòng)了終端產(chǎn)品應(yīng)用和電子消費(fèi)升級(jí)。這一趨勢(shì)進(jìn)一步引發(fā)業(yè)界對(duì)電源管理的要求不斷提高。
　　當(dāng)前，僅互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施所消耗的電能估計(jì)就占到全球發(fā)電量的數(shù)個(gè)百分點(diǎn)，且所有電能在投入使用前都需經(jīng)歷控制、轉(zhuǎn)換、調(diào)節(jié)和過(guò)濾流程。1968年，幾乎沒(méi)有工程師能夠預(yù)想到處理器的出現(xiàn)，盡管其本質(zhì)上類似于CMOS，其操作電壓只需0.9 V（+/-2%），輸出電流卻可高達(dá)數(shù)十安培。這一點(diǎn)正是電力系統(tǒng)工程師面臨的諸多挑戰(zhàn)之一。
　　從功率的角度來(lái)講，無(wú)論是毫瓦級(jí)可穿戴設(shè)備，還是能量收集方案，亦或是千瓦級(jí)電源，它們追求的一個(gè)共同目標(biāo)都是提高能效。多年來(lái)，消費(fèi)電子產(chǎn)品的電源設(shè)計(jì)人員一直致力于研發(fā)在額定功率輸出及待機(jī)狀態(tài)下均能最大限度地減少功耗的電源方案。業(yè)界相關(guān)管理規(guī)定，包括歐盟外接電源能效標(biāo)準(zhǔn)（CoC）第五版及美國(guó)能源部制定的第六級(jí)能效要求，均針對(duì)數(shù)百萬(wàn)種非頻繁插拔的插拔式電源設(shè)定了最高‘待機(jī)功耗’標(biāo)準(zhǔn)。為助力設(shè)計(jì)人員簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)流程，本文特此精選了一組全新電源管理芯片并分享一些重要設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，讓設(shè)計(jì)人員只需輔助使用一些在線設(shè)計(jì)工具即可完成他們的處女作。
　　電源管理是物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)面臨的一個(gè)主要問(wèn)題。當(dāng)前，盡管越來(lái)越多應(yīng)用能夠通過(guò)能量收集技術(shù)實(shí)現(xiàn)超低功耗設(shè)計(jì)，但這種方法并不適于其他更多應(yīng)用設(shè)計(jì)。在這種情況下，需要電池為系統(tǒng)供電。二者的區(qū)別在于，使用能量收集技術(shù)的產(chǎn)品只需采集到環(huán)境中容易獲得的少量能量便可運(yùn)行，而電池供電設(shè)備在某一時(shí)間則需要更換電池。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的電池壽命可通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算予以確定：即電池容量除以平均放電率。因此，盡量減少設(shè)備的能耗或增加電池容量都可延長(zhǎng)電池的使用壽命并降低產(chǎn)品的總擁有成本。
　　通常情況下，電池是物聯(lián)網(wǎng)傳感器系統(tǒng)中的最大組件，這導(dǎo)致工程師的選擇往往非常有限。然而，工程師可以借助各種處理器、通信技術(shù)和軟件算法進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以提供所需電池壽命?？紤]到電池更換成本頗高，一個(gè)優(yōu)良的系統(tǒng)設(shè)計(jì)通常需要確保原裝電池能夠支撐物聯(lián)網(wǎng)傳感器在整個(gè)生命周期內(nèi)的順暢運(yùn)行。
　　開(kāi)發(fā)電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須實(shí)施精細(xì)的工程設(shè)計(jì)。盡管組件的選擇很重要，但設(shè)計(jì)不當(dāng)卻也能讓低功耗處理器的優(yōu)勢(shì)蕩然無(wú)存。為此，處理器的設(shè)計(jì)需盡量實(shí)現(xiàn)低功耗待機(jī)模式運(yùn)行，并最大限度地減少無(wú)線通信的使用，從而提供優(yōu)良的電池性能。
　　為滿足這一設(shè)計(jì)需求，德州儀器推出了基于新型LLC架構(gòu)的全新控制器芯片UCC256301 和UCC256303，可提供業(yè)界新低待機(jī)功耗。德州儀器LLC架構(gòu)采用混合滯回控制策略。為實(shí)現(xiàn)更高效能，業(yè)界不斷探索并研發(fā)出了一系列創(chuàng)新架構(gòu)和開(kāi)關(guān)模式，德州儀器LLC架構(gòu)便是業(yè)界持續(xù)努力的最新成果。這類控制器不僅需具備低損耗的特性，且需具有快速瞬態(tài)響應(yīng)能力的電源以滿足負(fù)載從低功率快速切換到高功率狀態(tài)時(shí)的突變需求;同時(shí)，其穩(wěn)壓器實(shí)際上是一個(gè)具有固定輸出電平的寬帶放大器，需始終保持穩(wěn)定運(yùn)行。借助超快的瞬態(tài)響應(yīng)和簡(jiǎn)單的補(bǔ)償并結(jié)合強(qiáng)大的故障保護(hù)功能，例如規(guī)避零電流開(kāi)關(guān)，確?？煽窟\(yùn)行。

　　圖一：采用德州儀器混合滯回控制的轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)響應(yīng)：從空載切換至滿載狀態(tài)時(shí)，轉(zhuǎn)換器將輸出電壓的最大偏差限制在1.25%，且輸出電壓在200μs內(nèi)即可恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)。
　　可穿戴設(shè)備是近期的一個(gè)“熱門話題”，無(wú)論是用于醫(yī)療還是作為信息娛樂(lè)設(shè)備，它們的一個(gè)迫切需求都是實(shí)現(xiàn)低功耗水平運(yùn)行，并盡量減少損耗，而電源管理元件能夠滿足這種獨(dú)特需求。Maxim Integrated的MAX20303就是一個(gè)例子。它是一款高度集成的可編程器件，采用3.71mm x 4.21mm小巧封裝設(shè)計(jì)，提供多種豐富功能。它具有一組靈活的功率優(yōu)化穩(wěn)壓器，包括多個(gè)降壓、升壓、升/降壓和線性穩(wěn)壓器，可輸出高達(dá)220 mA的電流。每個(gè)穩(wěn)壓器的靜態(tài)電流特別優(yōu)化到1μA （典型值），以延長(zhǎng)‘不間斷運(yùn)行’應(yīng)用中的電池壽命。完整的電池管理解決方案包括充電器、電源通路、電量計(jì)及電池外殼。
　　與可穿戴設(shè)備等產(chǎn)品密切相關(guān)的另一趨勢(shì)則是消費(fèi)者對(duì)便捷性無(wú)線操作的需求導(dǎo)致無(wú)線充電日漸普及。自電源相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)誕生以來(lái)，提升功率水平這項(xiàng)工作從未停止，即使新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范才開(kāi)始實(shí)施。無(wú)線充電聯(lián)盟（WPC）制定的最新QiExtended Power標(biāo)準(zhǔn)，將功率從5W提??高到15W。為支持這一新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，意法半導(dǎo)體（ST Microelectronics）推出一款先進(jìn)的無(wú)線充電發(fā)射芯片STWBC-EP，可以最低待機(jī)功耗提供必要的異物檢測(cè)和安全功能。它包含一個(gè)DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器和一個(gè)控制器，以及Qi充電算法固件。轉(zhuǎn)換器和控制器協(xié)同產(chǎn)生輸入功率和控制信號(hào)，傳送到外部半橋功率級(jí)，用于驅(qū)動(dòng)充電發(fā)射器天線。意法半導(dǎo)體還推出了一款相關(guān)評(píng)估套件，內(nèi)含一個(gè)15W Qi MP-A10參考設(shè)計(jì)、12V 2A AC/DC適配器、USB/UART轉(zhuǎn)接口（用于連接PC機(jī)和USB數(shù)據(jù)線），以及預(yù)裝固件。
　　此外，在消費(fèi)及許多其他應(yīng)用領(lǐng)域，USB-C的使用也持續(xù)變得更加普遍。借助其高功率傳輸能力和單點(diǎn)連接特性，業(yè)界已推出多款電池充電器芯片。其中就包括來(lái)自Intersil的ISL95338升降壓穩(wěn)壓器，它采用Type-C雙面可插連接器，適用于各種類型的移動(dòng)設(shè)備，且可替換兩個(gè)電壓轉(zhuǎn)換器并提供USB PD3.0雙向電壓調(diào)節(jié)。
　　圖二：Intersil評(píng)估板ISL95338芯片通過(guò)USB-C供電提供升/降壓調(diào)節(jié)功能
　　ISL95338穩(wěn)壓器可接受廣泛的DC電源輸入，包括AC/DC電源適配器、USB PD3.0端口、旅行電源適配器、電源存儲(chǔ)模組等，并可將電源轉(zhuǎn)換成高達(dá)24V的穩(wěn)定電壓。ISL95338能夠?qū)挿秶腄C電源在電源適配器輸入端轉(zhuǎn)換成20V穩(wěn)定電壓，且可在降壓模式、升壓模式、降壓-升壓模式下運(yùn)行。它還利用Intersil調(diào)制專利技術(shù)，融合了固定頻率脈沖寬度調(diào)制（PWM）和滯環(huán)PWM的特性，從而實(shí)現(xiàn)高功效運(yùn)行并提供超快瞬態(tài)響應(yīng)。其設(shè)計(jì)可完全兼容USB PD3.0標(biāo)準(zhǔn)，并支持可編程電源（PPS）快速充電，提供雙向5V-20V降壓、升壓、降壓-升壓模式。
　　當(dāng)然，并非所有的電壓調(diào)節(jié)都通過(guò)開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在許多應(yīng)用中，出于極低噪聲要求，只需配置一個(gè)線性穩(wěn)壓器就可實(shí)現(xiàn)這一功能。典型應(yīng)用場(chǎng)景包括為精密模數(shù)轉(zhuǎn)換器或低失真RF放大器供電，這些應(yīng)用無(wú)法容忍任何電源噪聲。
　　德州儀器的TPS7A39恰可滿足這種應(yīng)用需求，并能為設(shè)計(jì)人員提供適用于各種應(yīng)用的通用組件。這款150mA穩(wěn)壓器的最顯著功能在于它可為接地?cái)?shù)模轉(zhuǎn)換器任一端，以及運(yùn)算/儀表放大器上需要對(duì)稱或非對(duì)稱電壓的元件和子系統(tǒng)提供正負(fù)電壓輸出。TPS7A39的正負(fù)輸出可獨(dú)立調(diào)節(jié)，并可在啟動(dòng)期間以恒定比率相互跟蹤。對(duì)于單電源放大器，其負(fù)輸出可調(diào)節(jié)至0V。TPS7A39穩(wěn)壓器規(guī)定電源抑制比（PSRR）需超過(guò)50 dB（最高2 MHz）和69dB（120Hz），從而為線性電路消除開(kāi)關(guān)（和其他）噪聲干擾。
　　本文精選的電源內(nèi)容僅初步介紹了“電源”這個(gè)廣闊設(shè)計(jì)領(lǐng)域內(nèi)的相關(guān)信息，其他諸如高壓集成、碳化硅和氮化鎵功率器件最新驅(qū)動(dòng)技術(shù)、大量快速成型的規(guī)則等電源設(shè)計(jì)話題還有待進(jìn)一步探討。設(shè)計(jì)人員可從e絡(luò)盟獲取以上制造商產(chǎn)品和其他熱門電源應(yīng)用器件以及相關(guān)支持服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)障礙設(shè)計(jì)。