便携式产品进入用户体验时代 电源管理厂商以创新应对挑战
摘要: 随着平板电脑、智能手机等便携式产品硬件、软件和内容的不断升级,诸如4G/LTE、前置摄像头、手机游戏装置和3D图像等功能逐渐进入我们的视野,同时它又朝向轻薄化发展,所有的这些设计为消费者带来了更好的体验。作为所有功能的动力之源,电源系统直接影响着电子产品的用户体验,而这些迎面而来的变化将给电源管理厂商带来哪些难题,电源管理厂商会有何对策?
关键字: 智能手机, 平板, 电源管理, iWatt, MPS, 安森美, 飞兆, 国半, 芯朋, FAN5904, FAN5400, 负载开关
由苹果掀起的智能手机和平板风潮席卷全球,苹果与其跟随者在其他市场领域萧条的情况下,赚得盆满钵满,因此它被称为“改变世界的苹果”。苹果改变了电子产品以往只关注硬件比拼的局面,从“硬件+软件+内容”的角度俘虏用户的心,一言以蔽之即“一切为了用户体验”。随着更多的生产商的介入,智能手机和平板电脑市场迅速风生水起。
据国际咨询机构IDC预测,2011年全球市场的智能手机销售量将达到5亿部,高于2010年的2.7亿部,以及2009年的1.74亿部,2011年智能手机销量的增长将主要受益于高速无线网络的发展,以及硬件价格的下降。而平板电脑方面,据Gartner预测,受苹果iPad销售强劲的推动,2010年全球平板电脑的销量达1950万台,2011年可增长181%至5480万台,到2014年可超2.08亿台。
挑战与对策
随着平板电脑、智能手机等便携式产品硬件、软件和内容的不断升级,诸如4G/LTE、前置摄像头、手机游戏装置和3D图像等功能逐渐进入我们的视野,同时它又朝向轻薄化发展,所有的这些设计为消费者带来了更好的体验。作为所有功能的动力之源,电源系统直接影响着电子产品的用户体验,而这些迎面而来的变化将给电源管理厂商带来哪些难题,电源管理厂商会有何对策?
美国国家半导体亚太区市场部经理钟建鹏认为:“从模拟半导体厂商的角度来看,便携式电子产品的几个基本诉求没有改变, 比如越来越高质量的音视频用户体验, 越来越强的便携特性包括更小的外形尺寸, 更长的电池工作时间等。这些基本诉求对我们的电源管理和音视频解决方案产品在性能、效率以及集成度方面不断提出新的挑战。”
美国国家半导体亚太区市场部经理钟建鹏
他表示,如何提高能效和降低系统功耗一直是国半发展电源管理和音视频产品的重点。国半在不同层面帮助客户在应用中提高能效,比如提供业内效率最高的升压和降压DC/DC 产品,保证电源管理器件级别的效率最优,另外在很多专用功能的模拟芯片的设计中(例如音频放大芯片,闪光灯驱动芯片,背光驱动芯片)充分考虑应用特性,在满足应用需求的前提下将功耗做到最低。
安森美半导体电源及便携产品全球销售及营销高级总监郑兆雄说:“便携产品正在集成越来越多的功能,同时还要维持或延长电池使用时间,这给电源管理带来了挑战。”
安森美半导体电源及便携产品全球销售及营销高级总监郑兆雄
安森美半导体的策略是提供针对关键子系统的解决方案,如迷你电源管理IC,集成多种功能于一身,帮助减少元件数量及电路板占位面积,降低BOM成本,并降低能耗从而延长电池使用时间。如NCP5680集成了超级电容充电、浪涌电流管理和LED电流控制所需的全部电路,为设计人员节省开发时间、电路板空间及元器件成本。超级电容充电和放电的完全可编程控制,以及独特的过载保护,确保为高质量拍照提供恰当的光。 这集成驱动器还能为音频放大器等便携系统中的其它大峰值电流电路供电,延长有用的电池工作时间。MPS应用工程师刘丽表示:“便携式产品电源管理面临的挑战有集成度高,效率高,尺寸小,热性能好等。”MPS公司采用先进的技术和工艺,极大的减小了功率开关管的导通电阻和损耗,并采用了优化的控制方式,实现了整个负载范围内的高效工作,而且具有非常好的热性能。”
MPS应用工程师刘丽
iWatt公司副总裁、技术经理郑俊杰认为:“随着便携式产品的多功能化,其锂电池容量也在不断增大,因此提高充电器的效率是十分必要的。”iWatt电源管理IC是通过线压降补偿方法提高USB线端的电压来加速充电时间,能够做到精确的恒流控制,很好地解决过充问题,目前iWatt电源管理IC的效率在5V2A条件下可以达到85%,在5V1A条件下可以达到80%。郑俊杰认为,在衡量充电器的效率高低时不能只看满载时的效率,而应该看整个充电过程中的平均转换效率,iWatt电源管理IC在这方面做得非常好,平均效率能够达到80%。
iWatt公司副总裁、技术经理郑俊杰
另外,郑俊杰表示:“由于便携式产品集成越来越多的功能模块,因而对系统EMI的控制显得尤为重要。”iWatt的EMI设计是从控制的角度,而不是元器件选择的方式,解决EMI问题。在电磁的兼容性方面,iWatt在兼顾效率、待机功耗和成本的基础上,采用智能调节数字频谱的方式处理EMI;并且通过智能化调整开关速度,使EMI与效率做到了很好的平衡;同时,尽量减少共模干扰,在兼顾电磁兼容性的情况下,将变压器做得比较简单。
无锡芯朋微电子有限公司总经理李志宏认为:“目前主要是电池使用时间和电路布局尺寸平衡问题,这方面就需要很好地分配和管理电池充电和使用的问题,芯朋微电子的思路是根据就电池使用方面研发充电与使用的路径分配,这方面欧美公司也有这方面的研究,只是将来成本会过高,功能也会复杂。”
关于尺寸布局及节能方面,芯朋微电子提倡做局部的集成,如一两个DC-DC和一两个LDO集成等,这样既可以满足布线的灵活性也不会造成功能的浪费。
无锡芯朋微电子有限公司总经理李志宏
创新技术
融合风成为引领便携式电子产业前进的主导力量,同时让便携式产品和其他电子产品的边界越来越模糊,也使得系统的电源管理日趋复杂。在这种情况下,只有创新的技术才能满足用户日益增长的要求。下面让我们了解一下业界领先的电源管理厂商的创新技术。
飞兆
据记者对美国飞兆半导体公司市场业务推广经理李文辉的采访,飞兆针对便携式产品电源管理推出几项具有创新性的产品。
美国飞兆半导体公司市场业务推广经理李文辉
RF PA。随着智能手机功能越来越丰富,我们可以视频通话、语音通话、网络冲浪、查收和编写电子邮件、玩网络游戏或者更新社交网络等活动,所有这些活动都要消耗电池的能量,其中功率放大器消耗的功率大约占总体30%,在网络覆盖情况较差的区域,这个比率会高达70%。针对这种情况,飞兆推出用于2G/3G功率放大器的6W、3MHz/6MHz降压转换器FAN5904。李文辉表示:“其实,以往的RF PA效率是比较低,而采用FAN5904方案能够使RF PA最高效率可以从以往的40%提升到60%以上。因此它有三个优点,第一效率提高之后,产品设计就不需要过多考虑周边原件的布置,利用我们的方案因为周边元件与PA靠得比较近,PCB尺寸可以缩小;第二是散热贴也可以缩小;第三是可以增加通话时间,采用FN5904可以增加1个小时左右的通话时间。这意味着对于智能手机而言,厂商可以选择一个更小容量的电池来实现同样的续航时间,手机可以做得更薄更小,具有更强的竞争力。”
用于2G/3G功率放大器的6W、3MHz/6MHz降压转换器FAN5904
FAN5904与基带处理器和功率放大器配合工作,以达到降低功耗的目的。基带芯片组将会根据从基站接收到的信息来设定输出功率水平,然后将其转换成电源电压,以便FAN5904可以为功率放大器供电。基带处理器能够针对输出功率水平,动态调节功率放大器的电源电压,从而降低功率放大器消耗的电流。 开关式充电器。在通过USB端口或 AC/DC适配器为单节或双节锂离子(Li-Ion)电池充电时,设计人员需要能够提高充电速度并解决线性充电器相关的散热问题的解决方案。为了满足这一需求,飞兆半导体公司开发了具备USB-OTG功能的FAN5400系列USB兼容锂离子电池开关式充电器。据飞兆半导体公司市场业务推广经理李文辉介绍,随着智能手机等便携式产品的电池容量越来越大,使用线性充电器通过USB端口或5V AC/DC适配器进行充电的效率变得越来越低,FAN5400的开关模式充电器能够提供高达94%的效率,可以减少大约3分之一时间,有助于加快充电速度并减少热耗散。FAN5400系列备有与开关模式充电器相集成的5V 300mA升压稳压器,并与充电器共用同一个电感,从而减少了外部元件数目。此外,充电器和升压电路的开关频率均为3MHz,最大限度地减小了外部无源元件的体积和成本。FAN5400系列采用1.96 x 1.87mm、20凸块、0.4mm 间距CSP封装,是市场上同时提供充电器和USB-OTG升压功能的最小型解决方案。负载开关。飞兆另一个具有创新性的产品是AccuPower系列负载开关。李文辉说:“随着智能手机集成越来越多的功能模块,每个功能模块如果都采用独立DC/DC的成本会很高,但是采用传统的三极管功率损耗大,而且还会有浪涌问题,严重影响系统的稳定性。”AccuPower系列负载开关包括FPF2700、FPF2701和FPF2702三款器件,它们与需要分立MOSFET加外部保护电路的现有解决方案不同,具有内置保护功能,可以省去多达四个附加器件,节省超过70%的电路板空间。
飞兆应用于便携式产品的最新技术——FAN5400和AccuPower系列负载开关
iWatt
在数字电源领域,iWatt推出使用数字运算法则取代传统的模拟控制解决方案,显着减少了零件数量,降低了成本,成为电源控制中的一项重大突破。其具体表现在:1、采用原边回馈无光耦的简单设计,能够精确控制电压、电流,精度达到业界最高水平±3%,而业界平均水平是5%、10%;2、数字电源平台,能够有效的自适应控制EMI,并且达到较高的效率;3、多重智能化动态响应,能够很快响应负载的变化,并作出调整。
据郑俊杰介绍,iWatt电源管理IC具有体积小、效率高、低待机功耗和多重保护等特点。iWatt产品被广泛应用于便携式充电器的有iW1691(5V、2A)和iW1676(5V、1A)。其中,iW1691具有以下特点:1、带初级反馈,从而减少了光隔离器数目,简化了设计;2、通过准谐振设计实现了最高整体效率和低 EMI;3、高达 130 kHz 的开关频率实现了适配器小型化;4、内置线压降补偿;5、精准输出电压调节;6、符合 EPA 2.0 空载功率消耗和平均效率法规;7、带初级反馈的内置输出恒流控制;8、低启动电流(通常情况下10μA);9、内置短路保护和输出过压保护。
国半
据钟建鹏介绍,国半近年来在便携式电源管理方面取得以下几项技术突破。
美国国家半导体具有其独创的自适应射频功率调整技术、适用于单芯片系统 (SoC) 的 PowerWise 自适应电压调节技术与采用增强版电磁辐射抑制技术 (E2S) 的低电磁干扰 D 类功率放大器及G/H 类自适应音频放大器等高能效的自适应电源管理技术。
美国国家半导体公司最新推出的业界首款集成G类耳机放大器及自动电平控制功能(ALC), 适用于智能及多功能电话的立体声模拟子系统PowerWiseLM49251,它内置G类耳机放大器,其特点是可以动态地降低供电电压,以便节省功耗,延长了音频(MP3、影片等)系统的播放时间。由于扬声器本身带有自动电平控制功能,因此可为系统设计工程师提供多个选择,让他们可以灵活控制音频系统的失真度,并避免扬声器受损。
LM49251的功耗低于同类产品,若扬声器及耳机运行在3.3V电压下,其静态电流不超过7mA。此外,LM49251的自动电平控制功能,让工程师可以利用可编程输出功率限幅器保护扬声器,并选择限幅电平的幅度。
安森美
郑兆雄认为,安森美半导体针对便携无线应用提供4个主要子系统方案非常具有创新意义,这包括照明及用户界面(UI)子系统方案、音视频子系统方案、电源子系统方案(包括迷你电源管理IC)及连接器子系统方案。这些子系统方案具有多种优势,如:减少使用的芯片/芯片组数量,保持灵活性;降低物料单(BOM)成本;减少连接器占位面积及降低成本;减少电能消耗、优化功率分配。
例如,安森美半导体新近推出了NCP2704音频子系统IC,这IC因应设计人员的便携功率放大器要求,提供高能效(总能效近90%)和节省空间的方案,其设计涵盖手机、移动上网设备及车套免提套件等宽广范围的便携电子设备。NCP2704是一个子系统,集成了低噪声D类放大器与极低功率耳机放大器,延长电池使用时间从而延长音频播放时间。这器件提供“不削波”(non-clipping)功能,在输入端施加了过量信号时,自动减小放大器的增益,从而限制信号失真。这种调节通过芯片内置的自动增益控制(AGC)电路来实现。功率限制器功能限制放大器的输出功率,保护扬声器免受过高音量导致的损伤。NCP2704则藉I2C协定提供丰富的控制功能,用于调配自动增益控制、信号多工及电磁干扰(EMI)降低等级,从而符合系统要求。
安森美半导体的众多比较成熟的电源管理方案已经在便携产品中获得广泛应用。如我们的NCP5680和CAT3224超级电容LED闪光驱动器等。NCP5680配合电池,管理一颗超级电容来驱动LED闪光至充分亮度,提供达10 A的大峰值电流。NCP5680中的集成驱动器还管理超级电容,处理其它峰值功率功能,如变焦、自动对焦、音频、视频、无线传输、全球卫星定位系统(GPS)数据读取及射频(RF)放大,延长电池使用时间而不放弃纤薄型设计。这器件在中国也获得《今日电子》杂志颁发的“Top 10 DC-DC 2010”奖项。
MPS
刘丽表示,MPS的技术突破表现在,MPS采用先进的技术和工艺,一方面极大的减小了功率开关管的导通电阻和损耗,另一方面采用了优化的控制方式,能够实现在整个负载范围的高效率和极好的热性能。目前我们公司在这一领域推出了许多新产品,覆盖了大部分便携式产品的电源管理方案,在业界也取得了广泛好评。
据介绍,MPS产品种类多,产品线丰富,包括DC-DC变换器,Charger,Audio,WLED,LDO等产品。 产品:体积小,成本低,输入电压范围宽,包括低压3V输入到高压28V输入;电流等级大,例如3*4mm封装的芯片可以承受10A电流;功率开关管导通电阻小;热性能好等。
芯朋
李志宏透露,芯朋微电子目前推出了2V-60宽电压输入范围、同步大电流输出的系列电路,如正在量产的AP295X系列,广泛应用于平板电视、网路通信设备、IPTV及机顶盒等。对于便携式产品的应用,目前芯朋微电子的产品在3G产品、各种媒体播放器上、GPS导航仪上、数码相机、对讲机上等都有成功的运用并占有一定的市场份额。
芯朋微电子的产品特点是主要以DC-DC转换技术为基础,分为同步升降压、LED背光驱动和锂电池充电管理及限流、限压、复位检测等。基本上满足了便携式产品对电源及相关IC的需求。芯朋微电子的产品优势是产品技术起点高,以同步整流为主、宽电压输入(2V—40V),效率高外围简单。经过公司六年来的持续研发和市场推广,芯朋微电子可以说是目前此类产品公司中品种最全,品质及供货稳定性最好的公司,在国内市场享有较高的知名度和市场份额。
趋势
俗话说,掌握趋势,才能把握将来。这句话在今时今日的意义尤为明显,以iPhone为例,它的更新换代速度大概是9个月,可见便携式产品对差异化的需求日益突出,更新速度也越来越快,因此需要具备前瞻性策略才能把握稍纵即逝的机会。采访过程中,在谈到电源管理IC的研发趋势时,受访人侃侃而谈。
国半钟建鹏认为:“便携式产品的多功能化发展,势必要求电源管理IC具有更高的性能,更低的功耗,以及更小的芯片尺寸。未来,美国国家半导体将不断创新推出新的电源管理产品及能够帮助客户简化设计的设计工具以更好的满足用户所需,包括带来更高质量的图像效果,更生动的画面显示,更纤薄小巧的外形,更逼真的音响效果及更灵活易用的人机接口等。”
安森美郑兆雄则认为:“电源管理IC的发展趋势包括高集成度、更高性能、更高能效及更高功率密度。安森美半导体提供宽广阵容的电源管理方案,配合他们不同的应用需求,并为他们提供及时的技术支援,帮助他们加快产品上市。”
MPS刘丽表示:“电源管理IC的发展趋势应该是高集成度,灵活性,可编程化和简易化。高集成度意味着一颗IC可以集成由多个独立电源管理转换器,例如DC-DC转换器,LDO,charger等,以减小客户产品PCB布局尺寸,节省空间,实现客户产品小型化;可编程化指客户的设计人员能够快速修改电源管理解决方案,动态调整电压电流,以满足其产品组合的不同外设要求;简易化说明芯片要易于设计,方便使用。目前,我们公司产品的开发信息很大一方面来源于客户信息,从客户那里了解实际产品需要,再通过仿真和实验研究,最终选择设计最好的电源解决方案给客户,正是基于这样一个闭环系统,相信我们会为客户提供最好,最称心的电源解决方案。”
芯朋和iWatt则认为数字电源是未来的发展趋势。
芯朋李志宏认为:“数字电源将会是未来发展趋势,目前芯朋微电子会结合客户的系统实际需求提供能够充分发挥客户产品功能及性能的电源产品。”
iWatt郑俊杰认为:“未来数字电源的发展会在方便、灵活的情况下,做到简单化。他表示:使交流/直流适配器变得易于设计、调试和制造是 iWatt 设计的一个关键方面。“简单化的发展,一是让工程师更容易接受,因此在设计上要简单化;二是从应用角度考虑,要让工程师感觉到与传统的设计没有很大的差别,这是目前数字电源推广慢的一个原因。而我们的产品从应用角度看跟模拟产品没多大差别。”
智能手机、平板电脑改变以往我们的世界,最终给消费者带了更好的应用体验,而优秀的电源管理技术为这一切默默做出了贡献,相信往后它们会给我们带来更惊艳的技术。
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