隨著移動電話、筆記本電腦、數碼相機、攝錄像機、MP3播放機等便攜裝置的迅速發展，對電源和電源管理提出了更高的要求。電源系統面對：
- 系統日益增加的復雜性；
- 需要管理更多電壓、更低電壓以及更寬的輸入電壓范圍；
- 系統空間越來越小，功能越來越多，功率越來越高；
- 高性價比要求。
面對這些嚴峻的挑戰，制造廠家推出各種解決方案，使得電源和電源管理技術日新月異，新產品、新結構、新協議、新解決方案層出不窮。
除便攜裝置所用電源面對嚴峻挑戰外，計算機、通信、工業、消費電子、汽車、儀器儀表等所用電源面對提高電源效率、降低待機功耗的挑戰。
數字電源管理
數字電源控制協議
控制電源轉換和管理器件的數字通信協議__新PMBus(電源管理總線)于2005年發布標準規范。一些電源和半導體公司，如Artesyn Technologies 、Astec/Emerson Network Power 、Intersil Corp. 、Microchip Technology 、Summit Microelectronics 、Texas Instruments 、Volterra Semiconductor 、Zilker Labs Inc.等參與此協議的共同研究。用PMBus，根據標準命令集可以配置、監控和維護電源轉換器。設計人員可以用PMBus命令來設置電源的工作參量、監控電源工作和執行正確的測量來響應失效或工作報警。僅僅靠重新編程設置電源輸出電壓性能能使同一硬件提供不同的輸出電壓。PMBus系統的監控和維護性能能夠增強系統的可靠性和可用性。
實現PMBus規范需要電源和相關IC的設計要遵從所要求的接口和命令。例如，在實現PMBus規范時，SMBus(系統管理總線)提供主計算機或系統控制器與PMBus依從器件之間的串行通信(圖1)。在實現PMBus規范時，PMBus協議將使能多源電源管理產品。設計人員能夠用標準命令集控制PMBus依從的電源轉換器。
圖1在PMBus規范實現中，SMBus提供主計算機或系統管理器與PMBus依從器件之間的串行通信
數字電源管理器
Power-One公司的第二代IBA(中間總線結構)控制器從模塊變為單片。單片數字IBA控制器ZM7332可以控制高達32個數字POL(負載點)、4個簡單的LDO(低壓降)穩壓器、VRM(電壓穩壓器模塊)等。在典型的應用中，系統中有4組Z-One POL(圖2)，每組由1個或多個POL轉換器構成。單片DPM(數字電源管理器)控制器可由用戶編程失效管理配置和規定容限功能、監控、啟動功能以及報告轉換行為。用戶可以通過I2C總線在產品開發和應用期間的任何時間改變可編程的參量。DPM可以觸發任選的保安電路并為中間總線電壓提供欠壓和過壓保護。DPM也可以管理模擬POL或LDO以及需要開/關功能或監控的任何事情。每個器件都有1個地址并配置在1個組中。可以編程使能信號的極性和輔助器件的失效數據。
圖2 DPM控制器應用電路
數字電源
TI公司的Fusion Digital PowerTM解決方案把模擬電源管理和數字信號處理結合在一起，使電源系統更智能、更可靠，使得數字控制電源系統以極具競爭力的低成本實現更高的性能和設計靈活性。Fusion Digital PowerTM解決方案包括數字電源控制器UCD9k、數字電源PWM控制器UCD8K和數字電源驅動器UCD7K。該數字電源解決方案支持從AC線路到負載點應用的電源系統，包括電信設備、計算機服務器、數據中心電源系統。
POL電源模塊
非隔離式插入負載點電源模塊
TI公司的T2系列非隔離式插入負載點電源模塊支持4.5V~14V輸入電壓范圍的降壓DC/DC轉換，可調輸出電壓能夠在輸出電流高達50A時下降至0.7V，非常適合于IBA應用。圖3示出T2電源模塊的應用電路。T2模塊集成了最新的TurboTransTM技術和SmartSync功能。創新的TurboTransTM技術使電源設計人員利用單個外部電阻器就可動態地“調節”模塊，從而滿足特定的瞬態負載要求。此技術能大幅度降低所需電容，使輸出電容降低5~8倍。從而節省電容成本和PCB空間。最終可加快瞬態響應，使輸出電壓偏移降低40%。T2電源模塊的SmartSync功能使電源設計人員能將多個T2電源模塊的開關頻率同步到特定的頻率。因此，設計人員可以將電源模塊同步到能使效率最大化和功耗最小化的頻率。由于解決了同步問題，就能夠消除差頻，同步化的電源模塊更易于實現EMI濾波，從而滿足對噪聲敏感的RF系統的輻射要求。也可以在不同的相位角同步電源模塊，降低POL輸入電容。T2電源模塊還具有DSP要求的1.5% DC容差、Auto-TrackTM排序技術、預偏置啟動、差分遠程感測、開/關機控制、過濾保護、過溫保護、欠壓鎖定等特性。
圖3 非隔離式插入負載點電源模塊應用電路
DC/DC微型電源模塊
Linear公司的微型10A POL降壓穩壓器模塊在15mm×15mm×2.8mm LGA封裝中包含板上電感器、板上功率MOSFET、板上DC/DC控制器和MOSFET驅動器、板上補償電路。用它構成POL穩壓器僅需輸入和輸出電容器(圖4)。圖4中LTM4600EV轉換器的輸入電壓圖6 PFC設計和OCC方案。
圖4 微型10A POL模塊應用電路
圖5 分布電源新拓撲
圖6 PFC設計和OCC方案
范圍4.5V~20V (LTM4600HVEV最大輸入電壓可達28V)，輸出電壓范圍0.6V~5V(由1個電阻器設置)，典型開關頻率800KHz(滿載)，它包含過壓和短路保護以及通過小電容器可調的內置軟啟動定時器。
分布電源新拓撲
Vicor公司的FPA(分比式電源架構)在負載點采用隔離電壓轉換模塊(VTM)，由前置穩壓器模塊(PRM)提供穩壓(見圖5)。
電源轉換拓撲一般采用脈寬調制(PWM)轉換器。一種新的電源轉換拓撲是正弦幅度轉換器(SAC)。SAC把零電流開關(ZCS)/零電壓開關(ZVS)轉換器和PWM轉換器的優點結合在一起。SAC與PWM轉換器的性能比較示于表1。SAC開關頻率高達3.5MHz，這可減小電抗元件的大小。不像一些非隔離轉換器那樣，交錯多相位來產生1個高有效頻率，SAC工作在1個有效的單相頻率，這使復雜性大大地降低。
ZCS/ZVS大大降低了開關損耗，SAC在100%占空比處理功率，不需要串行能量存儲在轉換器的輸出，這進一步減小了元件尺寸，并改善了瞬態響應。
改善功率因數校正的新技術
交流電源設備必須遵從有關規定的總諧波失真(THD)最大限制，這意味著實現功率因數校正(PFC)已成為電源設計的1個關鍵因素。在低功率系統(200W~300W)，開關電源慣用的控制方法是非連續電流模式(DCM)技術，在這種方法中開關周期每部分電感器電流降??率的增加，需要較大的EMI濾波器、效率會降低而且需要較大的FET和散熱器。基于此原因，較高功率系統采用連續電流模式(CCM)技術，而不管這會導致較多的元件、電路復雜以及尺寸和系統成本增加。
PFC設計的新方法是OCC(One-Cycle Control)。OCC方案在功率75W~4KW額定范圍內能提供一般CCM技術的所有好處，并具有較低的成本和復雜性。新的OCC方案與傳統乘法基CCM系統的差別是OCC不需要AC線感測。從DC總線電壓和返回電流得到校正電流波形和使功率因數最大所需的所有信息。OCC系統處理這些信息來驅動PFC開關的占空比。OCC電路(圖6)不需要模擬乘法器、輸入電壓感測、固定振蕩器斜波。在OCC電路中，在1個開關周期內積分誤差放大器的輸出來產生1個可變斜率斜波，然后與誤差電壓進行比較，產生PWM柵極驅動信號。這種控制方法比傳統的乘法基技術所需電阻器少40%、電容器少50%(對典型1KW系統而言)。對于PFC，OCC簡化了控制技術而又能提供像傳統乘法器基那樣的高性能。現在，把OCC功能集成到高性能IC中，IR公司已為75W~4KW功率額定值應用開發出單芯片方案，這就是mPFC的新IR1150家族。
結語
電源管理是當今熱門的電子技術。有關電源管理的協議、新產品、新拓撲、新解決方案(如數字電源控制協議PMBus，單片數字電源管理器和數字電源，微型和大電流POL電源模塊，分布電源FPA拓撲，SAC轉換器，PFC設計的OCC方案等)層出不窮。預計未來5年，電源管理全球市場年增長率15%以上。 |
