电源管理—绿色电源的关键

2010年02月08日10:26:04 本网站我要评论(2)字号：T | T | T

众所周知，在能源价格日益高涨的今天，降低能源消耗，保护地球环境已经成为了迫切要求。政府以及有关机构也积极鼓励个人和全社会提升能源使用效率并降低消耗。在这样的背景下，电源工程师需要付出更多的努力和更加积极的创新才可以设计出真正高效低耗的“绿色”电源。

目前正在倡导和进行的诸多节能计划让大家更清楚其中的意义。美国环保署提出的能源之星计划也已经为全世界的普通大众所熟悉并提升了大家节约能源的意识。这项计划涵盖了非常广泛的用电设备：从只有几瓦的手机充电器，到个人电脑，再到几千瓦的空调、冰箱。对所有这些电器产品都严格规定了较低的效率，并且这一要求会持续下去。

欧盟行为准则工作组（COC）较初采用类似能源之星的自愿性规范。相关的公司需要持续不断的致力于降低自己及客户端的碳排放量。同时，目前全世界范围内对新能源领域以及高效能源传输和电源管理方面有着前所未有的投资和开发力度。例如，海浪发电的研究，以及为数据处理带来更高能效的绿色网格（Green Grid）联盟。

从移动电话到数据交换中心，电源管理在优化电源效率方面起着至关重要的作用。在高端智能手机应用中，目前有30多种电源域，每种都要求监视和优化，以求得在电池日益轻薄化的趋势下得到更长的使用时间。相类似的，手机的数字芯片还需要处理无线运营商提供的数据量庞大的各种服务。而保障日益小型化的硬件能够去处理越来越复杂庞大的数据和任务的正是高效可靠的电源转换以及专用的电源管理系统。

发展驱动革新

应对不断发展的技术要求制定对策对每个工程师来说都是一个不小的挑战。追溯到1960年，英特尔的联合创始人高登.摩尔曾经发表过著名的摩尔定律：单位硅片面积上晶体管的数量将每两年翻一倍。历史表明了摩尔预言很大程度的正确，由于功耗的限制，单核处理器的发展遇到了一定的瓶颈。这一技术上的发展变化也催生了多核处理器技术的创新，在单个处理器核的水平上考虑能耗的较优化。从单核到多核的进步，设计师彻底改变了每个核的工作模式和对电源的需求，形成了复杂的电源管理结构。这个技术进步只有在计算所需功率密度日益曾长的情况下，设计师们进行了水平思考之后才能成为可能.

这种水平思考转换思维的办法也同样适用于电源转换行业，尤其是在电源管理越来越成为提高系统效率的关键的情况下。在我们的高端智能手机的例子中，电源管理芯片负责管理多组开关电源和LDO线性电源，并根据手机的实际使用情况做出响应，以求降低功耗提高效率—例如调整解码芯片的功率水平以适应不同的音频数据的处理需要。

使用这种手段可以帮助工程师们满足节能和环保的要求。作为2008 E-legacy Award的获得者，爱立信始终把降低能耗放在所有研发设计考虑之中。公司积极鼓励和推进众多节能和提高能效的行动，同时持续不断的改进产品设计，将其对环境的影响降至较小。如图1所示，爱立信对能效和环境的承诺显著的降低了移动通信领域CO₂ 排放量。

图 1 使用爱立信网络的单位用户年CO2 排放量

数字控制节省功耗

就像较新一代的微处理器内部集成了电源管理功能一样, 现在系统也配置了电源管理芯片与板级的功能电路通信去保证每个电路模块配备了较合适功率的电源。要达到这样的目标，电源工程师需要和系统工程师一起合作形成将高效的开关电源和数字控制技术结合起来的新的架构。现在数字电源控制IC的使用成为了一个关键，这也是爱立信的工程师们在设计新一代更高效，更可靠，更大功率，同时又更具成本优势的产品中所采用的关键元件。这期间工程师们所做的大量工作使得设计出这样一个数字电源产品成为可能。

在本文中，“数字电源”一词的含义是用数字控制的环路去取代传统的模拟电路中的控制环路这一DC-DC转换器的核心部分。在图2所示的方块图中，数字控制反馈环路通过模数转换器对输出采样并将采样结果与参考值相比较。这一过程等同于上面的模拟控制环路中错误放大器的工作原理。不过数字控制器确不需要像模拟反馈回路中的补偿网络，而是通过数字滤波器进行PID控制。而且也不会像模拟回路固定不变的反馈环，数字控制器可以根据输入输出的变化灵活的改变PID常数，得到较优的控制回路，从而提高电源的效率。

图 2 模拟控制器VS. 数字控制器

这一特点可以帮助提高几个点的电源转换效率，尤其是在转换器的某些极限工作区域，而往往模拟电源只能是根据转换器的典型工作区间来调试补偿网络的值。例如，在爱立信的1/4砖中间总线数字电源模块BM453上采用的数字控制器可以使转换器在3A到33A的全范围输出功率上保持96%甚至更高的效率。这一效率比同类采用模拟IC的产品要高2%，同时功率密度提升了5%。而在不影响输出纹波和噪声水平的前提下，转换器的调整率也从原来的+4%/-10%改进到了仅为±2% 。

数字控制器采用数字脉宽调制模块取代了模拟控制器中采用的斜坡产生器，比较器和锁存器来产生开关波形去控制主回路中的开关MOS。此外，数字控制器内部直接集成了电源管理模块可以检测和控制主回路，并且不需要像以往模拟控制器常常需要的很多外部器件构成采样和耦合电路。这就减少了元件的数量同时也降低了功耗。一个简单的二线串联接口就可以轻松传递大量转化器工作时的测量和控制数据。还可以方便的通过可视化软件界面来修改控制器的各项参数。

PMBus可以简化应用

电源转换行业所采用的PMBus协议使用SMBus总线—或者说更强健的I2C总线版本—作为串行通信的标准，使用标准命令集极大简化了对器件的访问和编。一个PMBus简化应用的例子是动态总线电压控制。这里，软件会根据实际情况在轻载时降低总线转换器的输出电压，从而降低后续点负载POL的转换功耗。这项技术可以在相对较宽的电压范围内节省功率，而这在模拟电源控制器上则很难实现。

在某些大于BMR 453的额定功率396W的高功率应用场合，PMBus可以切换到两块BMR453 并联使用的模式。数字控制器内置的固件和电源管理模块可以平衡模块的并联工作，而不需要额外的OR-ing二极管或者MOS，同时也节省了一部分能量。

在爱立信正在不断丰富3E产品系列，包括集成了PMBus接口的数字点负载产品“di-POLs”BMR450/451，同时还有输出功率达240W的1/8砖中间总线数字电源—见图3。3E系列产品—更强的性能，更好的电源管理，更高的用户价值—是特别为高能效和低碳排放设计的。3E产品使得搭建系统满足更广泛应用变得简单，它不仅仅是带来更高的能效和功率密度，更重要的是，3E产品使现在的智能电源系统更加容易实现。

图 3 爱立信数字控制中间总线电源模块BMR453

正如修伯里所说：“我们不是从祖先那里继承了地球，而是从后代那里借用了她”—我们应该努力改进技术致力于保护地球的环境。请访问以下网站并联系我们，获取更多关于使用爱立信数字电源产品帮助您的系统变得更加环保的信息www.ericsson.com/powermodules

电源管理—绿色电源的关键

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