與過(guò)去便攜式電子產(chǎn)品主要采用一次性干電池或堿性電池作為電源不同，如今不論是筆記本電腦、手機(jī)還是MP3/MP4播放器，都基本使用鋰離子、鎳鎘或者鎳氫等可充電電池，不僅降低使用成本有利于環(huán)境保護(hù)，更重要的是電池容量可以做得更大，以獲得更長(zhǎng)的續(xù)航時(shí)間。可充電電池由于本身的特性也給系統(tǒng)開(kāi)發(fā)商提出了新的要求，為了使可充電電池具有更長(zhǎng)的使用壽命，正確的充電電路設(shè)計(jì)與器件選擇至關(guān)重要，無(wú)論是外接的充電器還是系統(tǒng)內(nèi)部充電電源管理方案都需要根據(jù)具體使用情況詳加考慮。

單芯片充電管理方案或?qū)⒊蔀橹髁?br/>
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(gè)脈寬調(diào)制解調(diào)單元(PWM)來(lái)實(shí)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(shì)在于擁有更高的可靠性，而MCU+PWM方案則更為便宜簡(jiǎn)單。”富士通微電子市場(chǎng)部經(jīng)理王韻在接受本刊記者采訪時(shí)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(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)說(shuō)，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(huì)成為趨勢(shì)。”

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(chǎng)，而2~4Cell應(yīng)用當(dāng)中最大的市場(chǎng)要屬筆記本電腦。從15年前開(kāi)始，富士通電源管理的研發(fā)團(tuán)隊(duì)就和富士通的筆記本電腦研發(fā)部門(mén)合作，開(kāi)始開(kāi)發(fā)針對(duì)筆記本電腦的充電管理IC。通過(guò)好幾代產(chǎn)品的不斷開(kāi)發(fā)和改善，全新研發(fā)的鋰電池充電管理ICMB39A132和MB39A134已在臺(tái)灣地區(qū)和中國(guó)大陸等地許多大廠得到應(yīng)用，同時(shí)也受到最近備受矚目的上網(wǎng)本市場(chǎng)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(jì)廠商對(duì)充電部分的設(shè)計(jì)愈發(fā)重視，在對(duì)充電管理部分都會(huì)選用品質(zhì)穩(wěn)定和可靠性高的大品牌電源管理IC。”他說(shuō)道。

不過(guò)來(lái)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(zhuān)用充電管理IC形成的控制方案電路雖然簡(jiǎn)單但功能比較單一，通常只能對(duì)特定參數(shù)的鋰離子電池進(jìn)行充電，而不同型號(hào)的便攜式產(chǎn)品往往使用不同型號(hào)規(guī)格的鋰離子電池，如果采用專(zhuān)用芯片，就會(huì)造成重復(fù)開(kāi)發(fā)和資源浪費(fèi)。

“用MCU+PWM實(shí)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(jí)，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(hào)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(jì)研發(fā)與制造。不同于市場(chǎng)上其他的Fabless設(shè)計(jì)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(jì)和先進(jìn)的工藝技術(shù)整合來(lái)優(yōu)化產(chǎn)品的性能和成本，以提供具高性?xún)r(jià)比的應(yīng)用系統(tǒng)解決方案。

實(shí)際上BCD半導(dǎo)體關(guān)注的重點(diǎn)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(kāi)發(fā)的第一代原邊控制器AP370x系列產(chǎn)品是市場(chǎng)上最早推出的同類(lèi)產(chǎn)品之一。據(jù)介紹，AP370x采用原邊控制和輸出電纜補(bǔ)償專(zhuān)利技術(shù)，內(nèi)置溫度補(bǔ)償和變壓器原邊電感補(bǔ)償，可以在省去光耦和次級(jí)反饋控制電路的情況下實(shí)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(gè)數(shù)，簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)，現(xiàn)已成功應(yīng)用于手機(jī)、無(wú)線公話(huà)、無(wú)繩電話(huà)以及無(wú)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(jī)能耗，我們又進(jìn)一步在業(yè)界領(lǐng)先推出了滿(mǎn)足五星級(jí)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(mǎn)足包括能源之星EPSv2.0和五星級(jí)手機(jī)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(hù)還希望隨時(shí)能夠通過(guò)USB接口或車(chē)載電源等對(duì)各種設(shè)備的電池進(jìn)行充電，此外還有用戶(hù)要求在設(shè)備充電的同時(shí)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(lái)了更大的挑戰(zhàn)。“挑戰(zhàn)首先來(lái)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(lái)進(jìn)行芯片的設(shè)計(jì)。”王韻表示，“第二個(gè)挑戰(zhàn)是要求IC能對(duì)不同的輸入電源作出相應(yīng)的調(diào)整，以及對(duì)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(guò)對(duì)輸入電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)的分配，保證了系統(tǒng)用電和電池充電可以同時(shí)穩(wěn)定進(jìn)行。

由于AC適配器/USB/車(chē)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(shí)要通過(guò)升壓才能進(jìn)行充電，這樣的升降壓充電管理IC在市場(chǎng)上還沒(méi)有看到。此外在設(shè)備工作時(shí)同時(shí)充電，要求充電管理IC有很好的抗干擾設(shè)計(jì)，同時(shí)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(jì)來(lái)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(jī)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(shí)保證電池的安全使用壽命；4、如何進(jìn)一步擴(kuò)展充電控制方法的靈活配置以期適應(yīng)不同型號(hào)電池的充電要求。”吳昕補(bǔ)充道。

他認(rèn)為，便攜式產(chǎn)品充電器如手機(jī)充電器是一個(gè)相對(duì)成熟、穩(wěn)定的市場(chǎng)，目前國(guó)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(kāi)發(fā)的力量相對(duì)比較薄弱。同時(shí)充電器本身是薄利商品，廠商的成本控制壓力比較大，對(duì)新技術(shù)的接受度也相對(duì)較低。近幾年由于公眾環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，政府和各類(lèi)環(huán)保組織、機(jī)構(gòu)，包括手機(jī)廠商本身，都提出了多個(gè)涉及充電器的節(jié)能環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，例如中國(guó)工信部頒布的《移動(dòng)通信手持機(jī)充電器及接口技術(shù)要求和測(cè)試方法》(YD/T1591-2006)、能源之星EPS2.0、手機(jī)充電器分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)等等，都旨在減少資源浪費(fèi)、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(dòng)了充電器產(chǎn)品的技術(shù)革新。

“中國(guó)制造商面臨的主要困難是設(shè)計(jì)者對(duì)充電方面的技術(shù)實(shí)踐不夠，未能完全掌握充電設(shè)計(jì)的要求。”王韻說(shuō)道，“同時(shí)各家充電管理IC的功能不盡相同，使用者對(duì)新產(chǎn)品缺乏了解，設(shè)計(jì)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(duì)市場(chǎng)的產(chǎn)品和技術(shù)的推廣，給設(shè)計(jì)者提供多方位的技術(shù)支持，使設(shè)計(jì)者能快速掌握充電管理設(shè)計(jì)的技術(shù)。”

在筆記本設(shè)計(jì)當(dāng)中，工程師對(duì)充電管理IC的設(shè)計(jì)都非常重視，否則一旦發(fā)生問(wèn)題將耗費(fèi)工程師大量的時(shí)間和精力，所以在研發(fā)早期發(fā)現(xiàn)問(wèn)題非常關(guān)鍵。王韻表示，富士通除了提供評(píng)估板用于客戶(hù)系統(tǒng)評(píng)估之外，還開(kāi)發(fā)了筆記本電源設(shè)計(jì)評(píng)估系統(tǒng)，通過(guò)這套系統(tǒng)，只要客戶(hù)提供完整電路就可以對(duì)任何可能發(fā)生的問(wèn)題進(jìn)行完整的事前檢查，從而幫助減少研發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

去年下半年發(fā)生的全球金融海嘯對(duì)于消費(fèi)電子類(lèi)產(chǎn)品打擊巨大，“但我們欣喜地發(fā)現(xiàn)，消費(fèi)類(lèi)電子已先于整體經(jīng)濟(jì)開(kāi)始復(fù)蘇。特別是受益于國(guó)家家電下鄉(xiāng)補(bǔ)貼政策，筆記本電腦和液晶電視等市場(chǎng)迅速回暖。”王韻說(shuō)道。“明年我們會(huì)繼續(xù)加大在電源管理IC研發(fā)上的投入，屆時(shí)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(huì)被應(yīng)用到更多的產(chǎn)品當(dāng)中。從電源管理IC來(lái)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(lái)發(fā)展趨勢(shì)。”

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(jì)最嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)是使用微處理器來(lái)管理電源。微處理器未針對(duì)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(shí)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(cè)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(mén)狗定時(shí)器、排序/跟蹤和熱插拔集成電路等多個(gè)IC，為用戶(hù)提供了必要的工具和功能，以滿(mǎn)足大型基站、高端服務(wù)器和小型單板計(jì)算機(jī)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(jì)，節(jié)能效果有所不同，但節(jié)能30%并不少見(jiàn)。

降低功耗和節(jié)能的一個(gè)重要途徑是關(guān)閉電路板未使用部分，并在負(fù)載較低時(shí)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(gè)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(cè)多達(dá)12個(gè)電路板電源，提供多達(dá)20個(gè)開(kāi)漏(open-drain)數(shù)字輸出和8個(gè)DC-DCtrim/margin輸出。使用片上的48個(gè)宏單元CPLD和四個(gè)可編程定時(shí)器，該器件能生成CPU復(fù)位信號(hào)，包括脈沖拖尾和電源故障中斷。20輸出中有四個(gè)可配置為高電壓MOSFET驅(qū)動(dòng)器。還有六個(gè)通用數(shù)字輸入，可用于其它控制功能。

該設(shè)計(jì)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們可以在任何使用電源敏感的平臺(tái)中充當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)的電源管理解決方案。在整個(gè)平臺(tái)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(jiàn)，從設(shè)計(jì)時(shí)間和所需器件的數(shù)量上都能得到體現(xiàn)。對(duì)于低功耗和節(jié)能器件的需求在過(guò)去幾年里大大增加，而且這種趨勢(shì)將繼續(xù)下去，因此預(yù)計(jì)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(jì)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(shí)現(xiàn)對(duì)電路板本身的管理。其功能將擴(kuò)大到包括溫度監(jiān)控、風(fēng)扇控制、NV錯(cuò)誤日志、用戶(hù)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。