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深入了解便携式产品电源的工程学

上网日期: 2011年01月24日 ?? 我来评论 字号:放大 | 缩小 分享到:sina weibo tencent weibo tencent weibo


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关键字:电源? 便携式产品? 系统?

为产品增加其可行动能力,可以让产品产生额外的收益,也可在原先固定式的应用外开启一个崭新的市场。其中一个很好的实例就是便携式超音波设备市场。不久之前,人们都需要专程跑到诊所才能进行超音波影像扫描检测。对于大多数已开发国家来说,这样的作业方式都不是问题。然而,如果可以将这样功能的设备带到较偏远的村落及城镇,就可以大大提升健康照护的品质。在设计便携式产品时,会面临许多必须取舍的挑战,这些挑战例如产品的重量、尺寸及使用时间等等。要让电源转换效率经常超越90%的水准,许多工程师都必须重新审视他们的工程设计图,希望在不同的功能设计里,找出能让电源更有效率产出的改善方案,从而降低产品整体电力的消耗。

唾手可得的效能改善

俗话说的好,当你想要更多的收获时,不妨先试试那些最明显或是最容易的机会。当电源转换效率徘徊在60%~75%之间时,我们最先可以获得的最大效益改善就是将线性稳压器转换为开关式稳压器,此举能大幅提升系统的整体效能。有了整合式高效能开关式稳压器后,工程师们必须要将自己的思维超越电源转换的议题才能获得显著的改善。

尺寸、重量、散热及成本全都是行动装置市场的驱动力量,这些因素经常主导了决策过程。现阶段,电池是整个系统设计环节中最弱的一环,而且电池的发展并未像其他科技(例如半导体制程)有大幅度的进展。现今的电源供应器能提供绝佳的效能表现时,接下来要发展的重点就在于在系统架构上减少损耗。不久之前Intel与其他处理器业者才清楚地认知到,让处理器跑得更快并不见得是提高效能的最佳方法。他们主要的考量是处理器产生的热量以及周边零组件的动态需求。当系统架构演进到多核心并且让作业系统搭配多核心运算时,就可以实现更佳的效能表现及更低的电源消耗。

当处理器业者停止了MHz的竞速战争以提升系统效能的时候,行动装置产品业者也应该后退一步,并重新思考效能表现的方式。类比数位转换器(ADC)就是一个可以看出这种架构改变的领域。举例而言,美国国家半导体率先推出整合式折叠转换器,新的转换器不只提供高速的运算(每秒取样率可以高达千兆位元),而且在处理过程中消耗最少的电源。传统的快闪型转换器受限于比较器的数量,而这是可以被整合的。一个快闪型的类比数位转换器所需要的比较器数目,是输出位元数目(2n-bits)的函数。举例而言,一个10位元的快闪式类比数位转换器将需要1,024个比较器,加上从热码到格雷码到二进位转换电子,及一个非常精准和一致的电阻分压器阶梯。

折叠转换器有完全不同的架构,它采用了数量较少的比较器(一般来说是32至64个),而且利用“折叠”原理将输入范围限缩在比较器网路的范围内(如图所示)。这个解决方案的特色是要补偿折叠过程中所增加的积分及微分非线性误差。这个新的架构代表了一种可以解决旧有问题的新方法,可以大幅降低系统功能运作所需要耗用的电量。这个方法可以把一个双十位元每秒千兆取样率转换器(PowerWise ADC10D1000)所需的耗电量从几十瓦降低到约需3瓦,是便携式影像设备、雷达及软体定义无线电系统中主要的省电方式。

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