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五彩晶圆(初级)

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手持装置之电源管理设计-供电端 [复制链接]

前言:老实说,手持装置的电源管理设计正日益严苛、困难,理由是其应用功能仍在持续高度扩展,过去手机没有MP3功能、没有照相功能,如今不仅几乎快成必备,还要附有收音机功能、闪光灯功能;以前免持听筒不过是用耳机线延伸,如今则还要蓝芽无线传输,其他还要能存取记忆卡、下载与执行小品(Java)游戏,彩色萤幕与附属子萤幕等,且功能仍在不断追加提升,如DVB-H数位手持电视、视讯录影等。

不單是通訊產品如此發展,資訊產品也是一樣,iPod從黑白顯示到彩色顯示,從音樂到圖像(Photo),再從圖像到影像(Video)。
不单是通讯产品如此发展,资讯产品也是一样,iPod从黑白显示到彩色显示,从音乐到图像(Photo),再从图像到影像(Video)。
此外,筆記型電腦(Laptop、Notebook、Mobile Computer)也在積極縮小化,2005年IDF Fall提出了Handtop的概念型產品,2006年CeBIT展期亦有Microsoft發表自2001年就啟動的「Origami專案」成果,同時英特爾(Intel)也呼應提出超攜行個人電腦(Ultra Mobile Personal Computer;UMPC),這些都在在顯示x86運算系統已有機會邁入更嬌小化的層次,但宣示的背後也意味著更高難度的電源設計及管理,宣示雖然風光,但展示時就不盡理想,電子字典大小的x86電腦(雛形品)僅使用15分鐘就讓電力告鑿。
此外,笔记型电脑(Laptop、Notebook、Mobile Computer)也在积极缩小化,2005年IDF Fall提出了Handtop的概念型产品,2006年CeBIT展期亦有Microsoft发表自2001年就启动的「Origami专案」成果,同时英特尔(Intel)也呼应提出超携行个人电脑(Ultra Mobile Personal Computer;UMPC),这些都在在显示x86运算系统已有机会迈入更娇小化的层次,但宣示的背后也意味着更高难度的电源设计及管理,宣示虽然风光,但展示时就不尽理想,电子字典大小的x86电脑(雏形品)仅使用15分钟就让电力告凿。
▲電池蓄電量的技術提升成長遠不及手持應用增加的需求用電成長,在相同的電池體積、電池重量下,蓄電量的強化進展緩慢。
▲电池蓄电量的技术提升成长远不及手持应用增加的需求用电成长,在相同的电池体积、电池重量下,蓄电量的强化进展缓慢。
(插圖設計:郭長祐)
(插图设计:郭长佑)

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更進一步的,手持應用的各項子環節設計也都還在持續演進,如液晶背光源從EL(Electro-Luminescent,冷光片。亦有人翻譯成:電致發光)、CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp,冷陰極燈管)轉變成WLED(White Light-Emitting Diode;白光型發光二極體),音效功率放大從AB類轉成D類,視訊攝影也從CCD轉成CMOS,其他還有指紋辨識、NFC感應等,有時候經常會讓電子工程設計人員有「規劃、計畫趕不上變化」之感。
更进一步的,手持应用的各项子环节设计也都还在持续演进,如液晶背光源从EL(Electro-Luminescent,冷光片。亦有人翻译成:电致发光)、CCFL(Cold Cathode Fluorescent Lamp ,冷阴极灯管)转变成WLED(White Light-Emitting Diode;白光型发光二极体),音效功率放大从AB类转成D类,视讯摄影也从CCD转成CMOS,其他还有指纹辨识、NFC感应等,有时候经常会让电子工程设计人员有「规划、计画赶不上变化」之感。

雖然手持應用的電源設計日益艱辛,但一就不能不面對,本文以下將試圖就過去已知的電源設計技術進行更細膩的討論與技術更新,同時也對應用供電方面進行部份討論。
虽然手持应用的电源设计日益艰辛,但一就不能不面对,本文以下将试图就过去已知的电源设计技术进行更细腻的讨论与技术更新,同时也对应用供电方面进行部份讨论。


▲手持式應用裝置的設計應用有高度的取捨、兼顧挑戰,必須將多項因素一併規劃考量,包括功能、成本、蓄電量、用電量、電能轉換效率、重量、體積、散熱、干擾等。
▲手持式应用装置的设计应用有高度的取舍、兼顾挑战,必须将多项因素一并规划考量,包括功能、成本、蓄电量、用电量、电能转换效率、重量、体积、散热、干扰等。
(插圖設計:郭長祐)
(插图设计:郭长佑)


▲手持式應用裝置的應用範疇與面向仍在高度擴增中,包括MP3播放、類比FM收聽、數位DVB-H收視、GPS定位、NFC感應付費、Java(爪哇)遊戲、Bluetooth(藍芽)免持聽筒、CMOS攝影錄影等。
▲手持式应用装置的应用范畴与面向仍在高度扩增中,包括MP3播放、类比FM收听、数位DVB-H收视、GPS定位、NFC感应付费、Java(爪哇)游戏、Bluetooth(蓝芽)免持听筒、CMOS摄影录影等。
(插圖設計:郭長祐)
(插图设计:郭长佑)
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学习,学习电学,学习繁文。。。。。。  详情 回复 发表于 2008-8-6 08:17
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五彩晶圆(初级)

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手持装置之电源管理设计-供电端

线性调压(Linear Regulator)是最常见也最易应用的电压调整方式,不过此作法只能用于降低供应电压,所以也经常称为线性降压。

線性降壓的優點是封裝體積小、需要搭配的外部元件少(只需幾個輸入、輸入電壓位置的濾波電容),這在電路佈局面積極有限的手持式應用設計時特別有利,此外線性降壓還有電源品質佳(有時也稱:電源潔淨度,即電壓的漣波電壓小、漣波因素小。漣波電壓原文為Ripple Voltage,也有人翻譯成:波紋)、沒有電磁干擾(Electro Magnetic Interference;EMI)等好處。
线性降压的优点是封装体积小、需要搭配的外部元件少(只需几个输入、输入电压位置的滤波电容),这在电路布局面积极有限的手持式应用设计时特别有利,此外线性降压还有电源品质佳(有时也称:电源洁净度,即电压的涟波电压小、涟波因素小。涟波电压原文为Ripple Voltage,也有人翻译成:波纹)、没有电磁干扰(Electro Magnetic Interference;EMI)等好处。

不過,線性降壓也有缺點,當輸出入電壓間的壓差過大時,其電源轉換效率也會轉差,且壓差部份的能量都會轉成熱能消散掉(Drop-Out),當轉換效率差時散熱量也會增加,而手持式裝置的內部空間狹窄,熱能不易消散,無法消散就會使機內溫度提升,進而讓電子系統運作不穩。
不过,线性降压也有缺点,当输出入电压间的压差过大时,其电源转换效率也会转差,且压差部份的能量都会转成热能消散掉(Drop-Out),当转换效率差时散热量也会增加,而手持式装置的内部空间狭窄,热能不易消散,无法消散就会使机内温度提升,进而让电子系统运作不稳。

雖然線性降壓的技術已高度成熟,但依然有持續精進的技術發展,今日的線性降壓元件幾乎都標榜低消散(Low Drop-Out;LDO),有的甚至會強調超低消散(Ultra Low Drop-Out),藉此表示有高轉換效率(因為過往以來線性降壓最為人詬病的就是廢熱消散的功率損耗)。
虽然线性降压的技术已高度成熟,但依然有持续精进的技术发展,今日的线性降压元件几乎都标榜低消散(Low Drop-Out;LDO),有的甚至会强调超低消散( Ultra Low Drop-Out),借此表示有高转换效率(因为过往以来线性降压最为人诟病的就是废热消散的功率损耗)。

此外新的線性降壓元件也強調可自外部操控的管理性,即是在降壓元件上增設一個名為EN(Enable的縮寫)的輸入接腳,由其他控制電路對此接腳輸入Hi、Lo信號,即可控制線性降壓元件是否要啟動轉換效用,或者是要關閉休眠,關於此通常是由系統的微控器並搭配控制韌體來對元件進行開關操控,以更方便地實現智慧型省電機制。
此外新的线性降压元件也强调可自外部操控的管理性,即是在降压元件上增设一个名为EN(Enable的缩写)的输入接脚,由其他控制电路对此接脚输入Hi 、Lo信号,即可控制线性降压元件是否要启动转换效用,或者是要关闭休眠,关于此通常是由系统的微控器并搭配控制韧体来对元件进行开关操控,以更方便地实现智慧型省电机制。

當然!
当然!
線性降壓的優點之一在於嬌小的電路佔用面積,所以也有業者對此進行更深的專精,例如持續將線性降壓元件的封裝改小,使佔用面積再度縮小。
线性降压的优点之一在于娇小的电路占用面积,所以也有业者对此进行更深的专精,例如持续将线性降压元件的封装改小,使占用面积再度缩小。
另外也有業者將過去元件外所需要的電容改成內建,如此連外部電容都可以縮減、省略,也一樣能讓佔用面積再次精簡。
另外也有业者将过去元件外所需要的电容改成内建,如此连外部电容都可以缩减、省略,也一样能让占用面积再次精简。

▲供應電源的調整、轉換主要有三種技術可以運用,即是:線性調壓、電容型切換式調壓(電荷泵浦)、電感型切換式調壓(切換式)。
▲供应电源的调整、转换主要有三种技术可以运用,即是:线性调压、电容型切换式调压(电荷泵浦)、电感型切换式调压(切换式)。
(插圖設計:郭長祐)
(插图设计:郭长佑)
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五彩晶圆(初级)

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手持装置之电源管理设计-供电端

电荷泵浦(Charge Pump)也称为电容切换式调压,除了调压元件本身外,只要在外部搭配几个电容元件即可,不过其外部电容是用来储能而非滤波,需要较大的体积,因此电荷泵浦的电路占用面积多比线性降压大,此外电荷泵浦是运用切换技术来调整电压准位,所以会有EMI影响,且电压位准的摆荡较线性降压为大。

附註:「切換式」在一些書籍中也翻譯成「交換式」、「開關式」,英文原文都是指「Switch」。
附注:「切换式」在一些书籍中也翻译成「交换式」、「开关式」,英文原文都是指「Switch」。

此外,電荷泵浦不像線性降壓只能用於降壓(Buck),也能用於升壓(Boost)及電壓反向(Invert,或稱:電壓反相,亦有人翻譯成:電壓反轉),當用於升降壓時,其升降幅度最好為原輸入電壓的簡單倍數,如1.5倍、2.0倍等,如此電源轉換效率才會高,理想情況可達90%以上,倘若調整的不是簡單倍數,則轉換效率就會降低,最差可能會低過70%,一般而言為了避免轉換程序的無謂耗能,設計上都盡可能使用簡單倍數性的升降壓。
此外,电荷泵浦不像线性降压只能用于降压(Buck),也能用于升压(Boost)及电压反向(Invert,或称:电压反相,亦有人翻译成:电压反转),当用于升降压时,其升降幅度最好为原输入电压的简单倍数,如1.5倍、2.0倍等,如此电源转换效率才会高,理想情况可达90%以上,倘若调整的不是简单倍数,则转换效率就会降低,最差可能会低过70%,一般而言为了避免转换程序的无谓耗能,设计上都尽可能使用简单倍数性的升降压。

值得注意的是,即便是以簡單倍數來升降調整,也不可能是無限度的升降,例如到12.0倍、-9.5倍等,升降倍數取決於外部的儲能電容,由於手持裝置的置納空間有限,也因此限縮電容可用的體積,進而讓倍數受限,就務實面來看很少有超過3.0倍的升降調整。
值得注意的是,即便是以简单倍数来升降调整,也不可能是无限度的升降,例如到12.0倍、-9.5倍等,升降倍数取决于外部的储能电容,由于手持装置的置纳空间有限,也因此限缩电容可用的体积,进而让倍数受限,就务实面来看很少有超过3.0倍的升降调整。
▲供應電源的電壓調整、轉換主要也有三種,即是:降壓(Buck)、升壓(Boost)、反相(Invert)。
▲供应电源的电压调整、转换主要也有三种,即是:降压(Buck)、升压(Boost)、反相(Invert)。
其中線性技術只能提供降壓功效,而無論電容型還是電感型切換都能夠提供降壓、升壓、反相等三種處理、轉換、調節功效。
其中线性技术只能提供降压功效,而无论电容型还是电感型切换都能够提供降压、升压、反相等三种处理、转换、调节功效。
(插圖設計:郭長祐)
(插图设计:郭长佑)



同時,電容體積與電容蓄電能量的大小不僅影響輸出電壓的倍數,也影響可輸出的最大電流,使得電荷泵浦在手持應用中不易提供超過300mA∼400mA的電流量(以每組轉換系統而言)。
同时,电容体积与电容蓄电能量的大小不仅影响输出电压的倍数,也影响可输出的最大电流,使得电荷泵浦在手持应用中不易提供超过300mA∼400mA的电流量(以每组转换系统而言)。

切換式調壓
切换式调压

老實說,電荷泵浦調壓與切換式調壓在轉換原理上都屬於「切換式調壓」,只是電荷泵浦以電容為主,而切換式以電感為主,如此之別而已,但稱呼上卻容易誤以為只有切換式調壓是運用「切換原理」,且也容易誤會「電荷泵浦」與「切換式調壓」毫無關係,以為兩者是截然不同的電壓調整方式。
老实说,电荷泵浦调压与切换式调压在转换原理上都属于「切换式调压」,只是电荷泵浦以电容为主,而切换式以电感为主,如此之别而已,但称呼上却容易误以为只有切换式调压是运用「切换原理」,且也容易误会「电荷泵浦」与「切换式调压」毫无关系,以为两者是截然不同的电压调整方式。

既然原理相同,那麼「切換式調壓」也與「電荷泵浦」一樣,也能行使「升壓」、「降壓」、「反相」等供電轉換、調整,且電源轉換效率高於電荷泵浦,同時不像電荷泵浦需要以簡單倍數式調升、調降才能讓電源轉換率提高。
既然原理相同,那么「切换式调压」也与「电荷泵浦」一样,也能行使「升压」、「降压」、「反相」等供电转换、调整,且电源转换效率高于电荷泵浦,同时不像电荷泵浦需要以简单倍数式调升、调降才能让电源转换率提高。

但是,切換式調壓也有其缺點,其轉換元件的外部不僅需要用上電容也要用上電感,還要有功率型電晶體(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor;MOSFET。金屬互補半導體場效電晶體,用於電路的開關切換),甚至是基納二極體(Zener Diode;ZD),由於外部元件過多,且多是功率型的大元件,使得切換式調壓在電路佈局設計上最耗佔空間,同時EMI電磁干擾的嚴重性也高於電荷泵浦,這又讓佈局設計的規劃更加困難,必須避免讓切換式調壓的切換雜訊影響到其他電路的運作。
但是,切换式调压也有其缺点,其转换元件的外部不仅需要用上电容也要用上电感,还要有功率型电晶体(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor;MOSFET。金属互补半导体场效电晶体,用于电路的开关切换),甚至是基纳二极体(Zener Diode;ZD),由于外部元件过多,且多是功率型的大元件,使得切换式调压在电路布局设计上最耗占空间,同时EMI电磁干扰的严重性也高于电荷泵浦,这又让布局设计的规划更加困难,必须避免让切换式调压的切换杂讯影响到其他电路的运作。

當然!
当然!
既然切換式調壓的電源轉換率最高(可達95%以上),無用的廢熱消散較少,加上佔用面積、空間大,所以散熱方面的問題也少於前述的兩種調整、轉換法,但缺點除了EMI雜訊發散強之外,供電電壓的漣波因素也較大,大過前述的兩者,這表示其在電源潔淨度上的表現也最不理想,電源品質較差。
既然切换式调压的电源转换率最高(可达95%以上),无用的废热消散较少,加上占用面积、空间大,所以散热方面的问题也少于前述的两种调整、转换法,但缺点除了EMI杂讯发散强之外,供电电压的涟波因素也较大,大过前述的两者,这表示其在电源洁净度上的表现也最不理想,电源品质较差。

不過,切換式調壓也無法隨時保持在高轉換效率的狀態,當用電的負載較小,耗用的電流較小時,切換式調壓的轉換效率也會轉差,為了持續保持高度的轉換效率,通常有兩種方式可以因應,一是使用PWM(Pulse Width Modulation,脈波寬度調變)法,另一則是使用PFM(Pulse Frequency Modulation,脈波頻率調變)法,兩者只要擇一而用便能維持轉換效率。
不过,切换式调压也无法随时保持在高转换效率的状态,当用电的负载较小,耗用的电流较小时,切换式调压的转换效率也会转差,为了持续保持高度的转换效率,通常有两种方式可以因应,一是使用PWM(Pulse Width Modulation,脉波宽度调变)法,另一则是使用PFM(Pulse Frequency Modulation,脉波频率调变)法,两者只要择一而用便能维持转换效率。

所謂PWM法,就是改變MOSFET開關的導通時間,但切換頻率維持不變,相對的PFM法是維持導通時間不變但改變切換頻率。
所谓PWM法,就是改变MOSFET开关的导通时间,但切换频率维持不变,相对的PFM法是维持导通时间不变但改变切换频率。

另外,由於手持裝置的內部空間有限,且切換式開關的外部電容、電感相當耗佔空間(尤其設計上是要求能高量供電時,即要求能提供較高的電流量給負載時),此一情形可以透過切換頻率的提升來改善,切換頻率提高就可使外部電容、電感量的倚賴度降低,進而縮減電路佔用面積。
另外,由于手持装置的内部空间有限,且切换式开关的外部电容、电感相当耗占空间(尤其设计上是要求能高量供电时,即要求能提供较高的电流量给负载时),此一情形可以透过切换频率的提升来改善,切换频率提高就可使外部电容、电感量的倚赖度降低,进而缩减电路占用面积。

然而提高切換頻率也非萬全之道,對應的後遺症就是造成切換雜訊的增加,所以切換頻率與電磁雜訊必須在設計條件下進行折衷取捨才行,不能一味地提升切換頻率。
然而提高切换频率也非万全之道,对应的后遗症就是造成切换杂讯的增加,所以切换频率与电磁杂讯必须在设计条件下进行折衷取舍才行,不能一味地提升切换频率。

至於切換式轉換元件的最新技術發展為何?
至于切换式转换元件的最新技术发展为何?
關於此主要在於提升最高的輸出電流量、縮減外部元件數、提高切換頻率等,提升最高可供應的電流量主要是因為切換式調壓的電源轉換效率高(尤其在高電流用量時),適合供電給較耗電的應用元件及電路。
关于此主要在于提升最高的输出电流量、缩减外部元件数、提高切换频率等,提升最高可供应的电流量主要是因为切换式调压的电源转换效率高(尤其在高电流用量时),适合供电给较耗电的应用元件及电路。

而縮減外部元件數,主要是將電容、電晶體、二極體等,運用半導體整合技術內建到切換式轉換元件中,使外部佔用面積獲得縮減,以便更適合運用在手持式裝置的設計上,唯一不能內建的是電感元件,今日的平面固態半導體技術仍無法將電容進行縮體化整合,只有電容、電阻可以。
而缩减外部元件数,主要是将电容、电晶体、二极体等,运用半导体整合技术内建到切换式转换元件中,使外部占用面积获得缩减,以便更适合运用在手持式装置的设计上,唯一不能内建的是电感元件,今日的平面固态半导体技术仍无法将电容进行缩体化整合,只有电容、电阻可以。
再來是切換頻率的提升,提升用意已如前所述,高頻切換有助於縮小電容、電感值,所以也在於縮小電源轉換系統的體積。
再来是切换频率的提升,提升用意已如前所述,高频切换有助于缩小电容、电感值,所以也在于缩小电源转换系统的体积。

▲三種電源調節、轉換技術各有其優缺點,線性技術的優點是佔用空間小、供電品質佳,但轉換效率差(視壓降程度),相對的切換式(電感型)技術的優點是轉換效率高(視負載功耗),但供電品質較不理想,佔用空間也大,而電容型切換技術則在各項表現上都居中。
▲三种电源调节、转换技术各有其优缺点,线性技术的优点是占用空间小、供电品质佳,但转换效率差(视压降程度),相对的切换式(电感型)技术的优点是转换效率高(视负载功耗),但供电品质较不理想,占用空间也大,而电容型切换技术则在各项表现上都居中。
此外散熱也與轉換效率相關連,EMI雜訊干擾也與空間性有所關連。
此外散热也与转换效率相关连,EMI杂讯干扰也与空间性有所关连。
(插圖設計:郭長祐)
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