(類比半導體廠商電源策略透析:National Semiconductor)
作者：美國國家半導體應用工程師 Michele Sclocchi
製程技術在過去幾年有了長足的進步，促使電源轉換器的效能得以大幅提升。創新的線路佈局及積體電路控制邏輯正式面世之後，標準電源供應系統的架構便煥然一新。預計在不久的將來會有更多其他的創新技術面世。但未來哪些產品和應用將引領電源供應技術朝向新發展方向呢？
過去十年來，電子產品的發展一日千里，產品外型不但愈趨輕巧纖薄，而且效能也不斷提高。帶動電子產業飛躍發展的動力來自兩方面：其一是微處理器的時脈速度有大幅的提升，以前的速度只侷限在幾百萬赫茲(MHz)之內，目前的速度已飆升至十億赫茲(GHz)以上；另一方面，記憶體容量也大幅提升，一般容量都高達幾十億位元組(Gigabyte)。這兩方面的發展都建立在矽片技術越趨精密的基礎之上。換言之，若非矽片製程由微米發展至次微米這樣精密的程度，微處理器及記憶體也無法有這麼驚人的發展。採用1.0微米製程生產的晶片適用於5V的電壓；相較之下，以0.1微米製程生產的晶片則適用於低至只有1V的電壓。由於供電幾乎維持不變，因此作業電壓便不斷下降，電流則不斷上升。新技術驅使電源供應產品不斷提高轉換效率及不斷縮小晶片體積，以便從容應對不斷新增的需求。
此外，油價不斷飆升，溫室氣體排放的規定也愈趨嚴格，子系統的效率愈來愈受到重視。業界不得不認真思考電源供應的設計問題：製造商是否需要重新設計產品架構並基此架構而開發更多的新產品？歐洲國家對能源環境問題較為關注，更樂於領導創新的節能技術。作為電源管理技術的市場領導者，美國國家半導體成熟的專業技術經驗可滿足市場的多種需求。
發光二極體：明日之光
如果"效率」是關鍵詞，那麼白光發光二極體必定會成為耀眼的明日之星。預計高亮度發光二極體的全球銷售額將由2006年的66億美元升至2011 年的106億美元，平均每年成長10.6%。高亮度發光二極體的耗電量遠比普通燈泡少，壽命也遠比燈泡長，而且更為環保。發光二極體已廣泛用於汽車燈光系統、顯示器、可攜式電子產品及許多其他應用。
燈光產業一直依據"每瓦特電能產生多少流明」這個標準，衡量電能轉化為燈光的轉換效率。一般來說，傳統的鎢絲燈泡效率較低，大約每瓦特只產生10至20流明。相較之下，霓虹光管的效率則較高，大約每瓦特可以產生50至60流明。
發光二極體晶片供應商目前正競相提高白光發光二極體的效率，希望可將效率提高至每瓦特100流明，以便為市場提供更具能源效益的照明系統，取代傳統的燈泡或霓虹光管。
提高照明系統效率的其中一個方法是採用串聯一起的發光二極體，這個配置的優點是可以保證不同二極體的亮度均勻，顏色也一致，因為其中的驅動電流由高效率的恆流開關穩壓器提供。開關穩壓器的優點是效率較高，因此浪費的功耗較小，使更多電能轉化為光線，而耗散的熱能較少，也有助降低發光二極體的溫度。
發光二極體若搭配專用的驅動器，可進一步普及發光二極體子系統的應用，使大型的薄膜電晶體(TFT)顯示器、垂吊燈、汽車車頭燈及非常著重效率及可靠性的其他應用都可採用發光二極體作為光源。
美國國家半導體已成功開發一系列可滿足這方面需要的穩壓器，其特點是採用高度整合的技術，而且效率較高，以及可以準確控制溫度/亮度。
適用於汽車電子系統的先進電源管理技術
生產汽車電子裝置的廠商主要是為了提高系統效率(即耗油量)及可靠性才不斷引進新技術，這是眾所周知的事實。
由於採用先進製程技術製造的晶片產品不但適用於廣闊的電壓及溫度範圍，而且還可充分利用創新的控制技術，因此這類晶片的效率及可靠性都較高。為了滿足效率及可靠性的要求，美國國家半導體採用高電壓的製程技術，確保晶片產品適用於高達100V的電壓，以及可以承受嚴重的負載斷電情況。此外，由於這些晶片，例如LM26001系列，可以充分利用創新的積體電路控制技術，因此採用備用模式時，這些晶片的靜態電流都會低於市場上的同級產品。
主動鉗位控制器線路佈局可支援隔離式電源供應架構
正向主動鉗位控制器線路佈局(Active clamp topology)及同類設計最適用於高電流的隔離式直流/直流電源供應系統，是這類應用的標準解決方案。
由於轉換效率及功率密度的要求愈來愈高，而成本則越趨緊絀，因此許多電源供應都改用具備主動鉗位重設功能的正向轉換器。
雙或單通道的正向主動鉗位控制器可以確保高輸出電流的供電系統能夠充分發揮其效能。電源供應器及電訊產品的廠商已紛紛改用美國國家半導體的電源管理技術(LM5026/LM5034)，因為這兩款產品無論在效率、可靠性、成本及封裝大小等都優於同類產品。
LM5000系列主動鉗位控制器可以確保正向線路佈局無論在任何電壓下作業，都可發揮更高的效率，使設計更具靈活性。圖2顯示一款內建P通道開關的典型主動鉗位轉換器與這款轉換器的優點。
主動鉗位電容器可將變壓器儲存的電能循環使用，然後將任何漏電電感磁化，以便提高整體效率。採用主動鉗位技術可將整體效率提高至92%，而輸出電流則可高達15至30A。
採用正向主動鉗位線路佈局的優點：
* 磁芯可以輕易重設，以便充分發揮效能
* 可採用多個磁象限
* 主MOSFET開關所受的壓力最少
* 漏電電感所產生的電能可以循環再用
* 同步整流器可以輕易自我驅動
* 方便關閉主開關的零電壓開關功能
輸出電流較高的系統可以充分利用雙通道正向主動鉗位線路佈局的優點。在主動鉗位控制器的支援下，正向線路佈局可以在任何佔空比(Duty Cycles)下發揮更高的效率，以及使設計更具靈活性。雙通道交替運作版的主動鉗位控制器能將這兩種佈局的優點集中於一身。
雙通道交替運作有較多的優點，例如兩個變壓器都可分別獲得足夠的供電，效率高於採用一個高功率的平面變壓器，因此耗散的熱能也較少。美國國家半導體LM5034正向主動鉗位交替運作控制器的效率可高達93%，而輸出電流則高達30至60A。
如何迅速完成電子設備的複雜電路設計：時間就是金錢！
電子消費產品市場已進入一個嶄新的年代，"時間因素」已成為帶動經濟成長的主要動力。時間是工程技術及生產成本以外的另一重要因素，廠商能否迅速將大量創新產品推出市場，並確保產品大受市場歡迎，時間的配合具有關鍵的作用。
電子產品必須不斷推陳出新，例如功能必須不斷創新，效能也要不斷提高，才可挑動起消費者的購買慾。這個創造需求的原理適用於任何電子產品，簡單如電動牙刷到昂貴的平面電視機都適用。其中的魔力是：新型號產品必須能夠提升產品價值以及比其他競爭產品更快推出市場。"時間」這個因素便在這個過程中扮演重要的角色。
積極的行銷人員經常向市場介紹各種新穎的構思，但系統設計工程師可能仍然不知道如何實現這些概念；加上設計週期緊逼，工程部門經常面對巨大的時間壓力。
系統設計工程師如何"快速完成設計」以及如何為產品"添加更多價值」？
典型的電路板設計可分為四個主要部分：數位處理核心(包括微處理器、數位訊號處理器、FPGA、記憶體)、顯示器介面、訊號路徑(類比/數位轉換器、數位/類比轉換器、放大器)以及與其他三個部分同樣重要的電源供應系統(開關式電源供應器、線性穩壓器、電壓監控電路)。設計流程大致上也按照這個次序進行。一般來說，電源供應的設計是整個系統設計的最後階段，因為各主要電路區段的供電要求必須清楚確定，才可開始電源供應的設計。
設計開關式供電系統看似簡單，其實並非如此，因為其中涉及很多方面的工程技術，例如電磁干擾、閉環分析、功率損耗、熱能分佈分析、線路佈局、以及磁性設計的問題。
並非只有專家才需要瞭解電源供應的設計，系統設計工程師也要懂得解決這方面的問題。好消息是現在有各式各樣的高整合度開關穩壓器及設計工具，可以簡化電源供應的設計，加快整個設計流程。
美國國家半導體是電源管理技術的市場領導者，也是首家洞悉這個市場發展趨勢的晶片商。為了滿足這方面的需求，該公司為市場提供各種容易使用的穩壓器，例如Simple Switcher系列開關穩壓器，以及WEBENCH等軟體設計工具。
WEBENCH是一種線上的設計工具，這套工具將整個設計過程分為四個簡單的步驟：第一是輸入設計參數；第二是挑選最適用的開關控制器及離散式外置元件；第三是進行電氣特性及熱能分佈模擬測試；第四是利用建模模型及量身訂造的評估電路板進行快速的基準測試。工程師只要利用這套設計工具，便可在這四個簡單步驟之內完成開關式電源供應系統的全部設計。
這套免費的線上設計工具適合資深或新進的工程師使用。WEBENCH模擬工具可以簡化電源供應的設計，加快整個設計流程。工程師只要有一定的設計常識，便可利用這套工具找出設計問題，並加以更正。雖然模擬測試工具很重要，但也不能完全取代工程師的知識及經驗。只要具有基本設計常識及經驗，對於所面對的問題又有深入的瞭解，便可利用這套工具完成整個設計。
美國國家半導體的電源供應設計專家一直開辦各種電源供應設計技術課程，為有關培訓課程編撰各種應用技術參考資料，以及為參加的工程師設計各種線上培訓工具，希望可以幫助工程師，協助他們可以透過自學方式增加對電源供應設計技術的瞭解。
若想迅速完成電子產品的整個設計過程，便必須擁有相關的晶片技術、設計輔助工具以及專業的知識，三者缺一不可。
美國國家半導體除了提供各式各樣的開關穩壓器之外，還提供一個有助優化電源設計的"錦囊」，其中包括線上模擬設計工具如WEBENCH和WEBTHERM、技術培訓如專業電源供應設計技術講座、類比技術大學課程和應用設計技術參考資料等。
原文連結：先進的類比技術為明日世界提供嶄新動力
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