單芯片充電管理方案或?qū)⒊蔀橹髁?/strong>
在便攜式產(chǎn)品中，電池充電通常可采用兩種方式，一種是利用系統(tǒng)本身主控MCU加一個脈寬調(diào)制解調(diào)單元(PWM)來實現(xiàn)，另一種是使用高集成度單芯片充電管理IC。“單芯片充電管理IC最大的優(yōu)勢在于擁有更高的可靠性，而MCU+PWM方案則更為便宜簡單。”富士通微電子市場部經(jīng)理王韻在接受本刊記者采訪時解釋道，“系統(tǒng)制造商可以在成本、可靠性等方面比較兩種方案的優(yōu)劣，選用最合適的方案即可。從長遠(yuǎn)來說，隨著單芯片充電管理IC的成本下降以及和外部通訊功能的增加，更多的應(yīng)用當(dāng)中選用更具可靠性的單芯片將會成為趨勢。”
據(jù)王韻介紹，富士通的充電管理產(chǎn)品主要定位在2Cell以上的市場，而2~4Cell應(yīng)用當(dāng)中最大的市場要屬筆記本電腦。從15年前開始，富士通電源管理的研發(fā)團(tuán)隊就和富士通的筆記本電腦研發(fā)部門合作，開始開發(fā)針對筆記本電腦的充電管理IC。通過好幾代產(chǎn)品的不斷開發(fā)和改善，全新研發(fā)的鋰電池充電管理ICMB39A132和MB39A134已在臺灣地區(qū)和中國大陸等地許多大廠得到應(yīng)用，同時也受到最近備受矚目的上網(wǎng)本市場的關(guān)注。“在筆記本電腦應(yīng)用當(dāng)中，由于數(shù)年前接二連三發(fā)生充電電池爆炸事件，使各筆記本設(shè)計廠商對充電部分的設(shè)計愈發(fā)重視，在對充電管理部分都會選用品質(zhì)穩(wěn)定和可靠性高的大品牌電源管理IC。”他說道。
不過來自BCD半導(dǎo)體公司的AC/DC產(chǎn)品總監(jiān)吳昕博士更看好MCU+PWM方案，他認(rèn)為專用充電管理IC形成的控制方案電路雖然簡單但功能比較單一，通常只能對特定參數(shù)的鋰離子電池進(jìn)行充電，而不同型號的便攜式產(chǎn)品往往使用不同型號規(guī)格的鋰離子電池，如果采用專用芯片，就會造成重復(fù)開發(fā)和資源浪費。
“用MCU+PWM實現(xiàn)的Buck電路成本低且控制方法靈活，可以方便地進(jìn)行改進(jìn)和升級，能夠適用于各種鋰離子電池。”吳昕表示。
BCD半導(dǎo)體是一家位于大中華區(qū)的模擬信號集成電路制造商(IDM)，從事電源管理集成電路產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)與制造。不同于市場上其他的Fabless設(shè)計公司，BCD半導(dǎo)體擁有6英寸晶圓廠(包括Bipolar、CMOS、BiCMOS和BCDMOS等生產(chǎn)工藝)，可以藉由產(chǎn)品設(shè)計和先進(jìn)的工藝技術(shù)整合來優(yōu)化產(chǎn)品的性能和成本，以提供具高性價比的應(yīng)用系統(tǒng)解決方案。
實際上BCD半導(dǎo)體關(guān)注的重點是高效率低成本AC/DC離線式電源適配器/充電器控制芯片，該公司于2006年開發(fā)的第一代原邊控制器AP370x系列產(chǎn)品是市場上最早推出的同類產(chǎn)品之一。據(jù)介紹，AP370x采用原邊控制和輸出電纜補償專利技術(shù)，內(nèi)置溫度補償和變壓器原邊電感補償，可以在省去光耦和次級反饋控制電路的情況下實現(xiàn)高精度的輸出電壓、電流控制，從而極大減少了電源電路的元器件個數(shù)，簡化電路設(shè)計，現(xiàn)已成功應(yīng)用于手機、無線公話、無繩電話以及無線路由器等產(chǎn)品的充電器/適配器中。“為了進(jìn)一步提高電源轉(zhuǎn)換效率、降低待機能耗，我們又進(jìn)一步在業(yè)界領(lǐng)先推出了滿足五星級標(biāo)準(zhǔn)的第二代原邊控制器AP376x系列，其30mW以下的空載功耗可以輕松滿足包括能源之星EPSv2.0和五星級手機充電器標(biāo)準(zhǔn)在內(nèi)的全球所有的充電器/適配器能效及空載規(guī)范。”吳昕表示。
輸入電源日趨多樣
隨著人們生活環(huán)境的日益多樣化，可用于電池充電的電源也日趨多樣化，除了傳統(tǒng)的220VAC適配器以外，用戶還希望隨時能夠通過USB接口或車載電源等對各種設(shè)備的電池進(jìn)行充電，此外還有用戶要求在設(shè)備充電的同時能夠繼續(xù)使用其功能，因此設(shè)備的充電管理電路需要更具靈活性，以適應(yīng)更為廣泛的應(yīng)用環(huán)境。
顯然，新的要求也給系統(tǒng)制造商帶來了更大的挑戰(zhàn)。“挑戰(zhàn)首先來自于充電管理IC需要更寬的工作電壓范圍，這樣就需要使用更高電壓的半導(dǎo)體工藝來進(jìn)行芯片的設(shè)計。”王韻表示，“第二個挑戰(zhàn)是要求IC能對不同的輸入電源作出相應(yīng)的調(diào)整，以及對電池充電和系統(tǒng)用電能做出一定的管理。”他以富士通MB39A132/134充電管理IC為例解釋道，通過對輸入電流進(jìn)行動態(tài)的分配，保證了系統(tǒng)用電和電池充電可以同時穩(wěn)定進(jìn)行。
由于AC適配器/USB/車載電源所提供的電壓電流都不相同，而充電電池的電壓和節(jié)數(shù)也不盡相同，當(dāng)充電電壓高于電源電壓時要通過升壓才能進(jìn)行充電，這樣的升降壓充電管理IC在市場上還沒有看到。此外在設(shè)備工作時同時充電，要求充電管理IC有很好的抗干擾設(shè)計，同時要注意在電池電壓很低的情況下，充電電流要保證大于放電電流，避免“入不敷出”的情況發(fā)生。“從充電IC的設(shè)計來看，目前面臨的挑戰(zhàn)包括：1、如何進(jìn)一步提高充電轉(zhuǎn)換效率和降低待機的功耗；2、如何有效管理多通道的電源和負(fù)載；3、如何提高充電速率并同時保證電池的安全使用壽命；4、如何進(jìn)一步擴展充電控制方法的靈活配置以期適應(yīng)不同型號電池的充電要求。”吳昕補充道。
他認(rèn)為，便攜式產(chǎn)品充電器如手機充電器是一個相對成熟、穩(wěn)定的市場，目前國內(nèi)相應(yīng)生產(chǎn)企業(yè)大多以生產(chǎn)制造為主，技術(shù)開發(fā)的力量相對比較薄弱。同時充電器本身是薄利商品，廠商的成本控制壓力比較大，對新技術(shù)的接受度也相對較低。近幾年由于公眾環(huán)保意識的增強，政府和各類環(huán)保組織、機構(gòu)，包括手機廠商本身，都提出了多個涉及充電器的節(jié)能環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，例如中國工信部頒布的《移動通信手持機充電器及接口技術(shù)要求和測試方法》(YD/T1591-2006)、能源之星EPS2.0、手機充電器分級標(biāo)準(zhǔn)等等，都旨在減少資源浪費、提高電能效率、減低空載空耗。這些標(biāo)準(zhǔn)的推出很大程度上推動了充電器產(chǎn)品的技術(shù)革新。
“中國制造商面臨的主要困難是設(shè)計者對充電方面的技術(shù)實踐不夠，未能完全掌握充電設(shè)計的要求。”王韻說道，“同時各家充電管理IC的功能不盡相同，使用者對新產(chǎn)品缺乏了解，設(shè)計不容易上手。解決的方法主要依靠充電管理IC的廠商加大對市場的產(chǎn)品和技術(shù)的推廣，給設(shè)計者提供多方位的技術(shù)支持，使設(shè)計者能快速掌握充電管理設(shè)計的技術(shù)。”
在筆記本設(shè)計當(dāng)中，工程師對充電管理IC的設(shè)計都非常重視，否則一旦發(fā)生問題將耗費工程師大量的時間和精力，所以在研發(fā)早期發(fā)現(xiàn)問題非常關(guān)鍵。王韻表示，富士通除了提供評估板用于客戶系統(tǒng)評估之外，還開發(fā)了筆記本電源設(shè)計評估系統(tǒng)，通過這套系統(tǒng)，只要客戶提供完整電路就可以對任何可能發(fā)生的問題進(jìn)行完整的事前檢查，從而幫助減少研發(fā)風(fēng)險。
去年下半年發(fā)生的全球金融海嘯對于消費電子類產(chǎn)品打擊巨大，“但我們欣喜地發(fā)現(xiàn)，消費類電子已先于整體經(jīng)濟(jì)開始復(fù)蘇。特別是受益于國家家電下鄉(xiāng)補貼政策，筆記本電腦和液晶電視等市場迅速回暖。”王韻說道。“明年我們會繼續(xù)加大在電源管理IC研發(fā)上的投入，屆時將推出全新一代的充電管理產(chǎn)品。這幾年新能源技術(shù)不斷發(fā)展，電池技術(shù)備受矚目，鋰電池/鋰鐵電池也將會被應(yīng)用到更多的產(chǎn)品當(dāng)中。從電源管理IC來看，更安全、更高精度、多重保護(hù)功能、外部通訊功能、電池平衡充放電功能及多組電池寬電壓輸入等都將成為電池充電管理技術(shù)的未來發(fā)展趨勢。”
采用高集成可編程邏輯器件進(jìn)行電源管理
節(jié)能設(shè)計最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是使用微處理器來管理電源。微處理器未針對電源管理進(jìn)行優(yōu)化，它們必須處理太多的指令，而且反應(yīng)時間緩慢，可能導(dǎo)致熱擊穿，以及突發(fā)性甚至是災(zāi)難性的電路板和系統(tǒng)故障。雖然在電源管理中使用微處理器一直是傳統(tǒng)做法，但使用邏輯器件進(jìn)行電源管理速度更快，而且更可靠。
萊迪思半導(dǎo)體于2009年4月推出PowerManagerII系列新產(chǎn)品，其中POWR1220AT8為電源監(jiān)控、修整和電壓測量提供了優(yōu)異的解決方案，這種可編程器件可代替復(fù)位發(fā)生器、監(jiān)控IC、看門狗定時器、排序/跟蹤和熱插拔集成電路等多個IC，為用戶提供了必要的工具和功能，以滿足大型基站、高端服務(wù)器和小型單板計算機等系統(tǒng)的綠色標(biāo)準(zhǔn)節(jié)能要求。根據(jù)具體的設(shè)計，節(jié)能效果有所不同，但節(jié)能30%并不少見。
降低功耗和節(jié)能的一個重要途徑是關(guān)閉電路板未使用部分，并在負(fù)載較低時降低IC所消耗的功率。高集成度可編程PowerManagerII器件把電壓監(jiān)控IC整合到一個器件里面，有助于降低系統(tǒng)成本，并提高可靠性。例如，PowerManagerII1220AT8監(jiān)測多達(dá)12個電路板電源，提供多達(dá)20個開漏(open-drain)數(shù)字輸出和8個DC-DCtrim/margin輸出。使用片上的48個宏單元CPLD和四個可編程定時器，該器件能生成CPU復(fù)位信號，包括脈沖拖尾和電源故障中斷。20輸出中有四個可配置為高電壓MOSFET驅(qū)動器。還有六個通用數(shù)字輸入，可用于其它控制功能。
該設(shè)計的一個優(yōu)點是它們可以在任何使用電源敏感的平臺中充當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的電源管理解決方案。在整個平臺和產(chǎn)品線建立這樣的標(biāo)準(zhǔn)解決方案所獲得的效率顯而易見，從設(shè)計時間和所需器件的數(shù)量上都能得到體現(xiàn)。對于低功耗和節(jié)能器件的需求在過去幾年里大大增加，而且這種趨勢將繼續(xù)下去，因此預(yù)計集成式可編程電源管理器件將得到更廣泛的使用。
萊迪思下一代電源管理器件計劃將提高集成度并包含更多功能，不僅能支持電源管理，而且可以實現(xiàn)對電路板本身的管理。其功能將擴大到包括溫度監(jiān)控、風(fēng)扇控制、NV錯誤日志、用戶邏輯和系統(tǒng)接口。除了電源管理產(chǎn)品，該公司還提供一系列低功耗可編程邏輯器件，包括ispMACH4000KZE超低功耗CPLD和LatticeECP3FPGA系列，后者的成本與功耗大約只是其他具備SERDES功能的FPGA的一半。
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