從低功耗IC達成高效能電源管理方案

茂宣企業FAE副理胡緯翰。

在DTF 2010 3C產品節能技術與低功耗設計論壇中，代理凌力爾特(Linear Technology)全系列電源管理晶片的茂宣企業FAE副理胡緯翰，在研討會一開始開宗明義的說，自綠能概念風行，人人講「節能減碳救地球」，當歐盟已經要求今年4月26起51W以上的外部電源供應器能源轉換效率要到87%以上，高效能低功耗的產品已經是基本門檻，選購正確的電源管理晶片，不再只考量輸出入電壓、電流範圍，更要考量轉換效率、設計空間侷限性、躁訊與能源輸出效率等需求。

當今電源晶片設計上的三個面向：1.Controller vs Monolithic，具備低成本、小空間的內建mosfet之單一元件設計(Monolithic)，而須外搭mosfet的內含控制器電源晶片則有較佳的輸出電流與電氣特性。2.Sync vs non-Sync，同步模式變壓晶片電路，在頂端與底端均採交換式電路(Switch)設計提供較佳的轉換效率，非同步模式變壓晶片則底端以蕭基二極體(Schottky diode)以節省空間與成本。3.輸入靜態電流(Input Quiescent Current)的嚴苛限制。不少OEM合作夥伴紛紛指定Iq在100uA以下規格的組件。而目前以1MHz操作頻率的電源晶片方案中，只要外搭2個10uF 1210陶瓷電容與1個4x4mm 4.7uH電感，總體面積僅0.08平方英吋，達到91%的能源轉換效率。

茂宣FAB副理胡緯翰表示，電源晶片在操作模式設計上，有F.C.M (Forced Continuous Mode；強制連續模式)、Pulse Skipping Mode (P.S.M)以及Burst Mode (升壓模式)。在F.C.M強制連續模式下，在輕量負載時電感允許反向電流的發生，由於工作頻率固定，所以產生的雜訊noise 是最小的。而P.S.M模式在輕量負載時，必要時可允許跳過一個或數個Pulse脈衝訊號以避免反向電流產生，但頻率會隨著負載電流的比例而有所變化。而BURST Mode在輕量負載時，IC會允許電壓掉到更低的門檻，使switching電路處於完全待機(standby)狀況下，整體電路有最低最小的耗電流。

不同拓撲電路型態、同步與非同步、高低靜態電流、工作頻率與以上三種操作模式，組成了幾十種不同電氣特性、效率的低雜訊的排列組合方案。凌力爾特大多數電源晶片均有提供內建控制器、單一元件、同步？非同步，與FCM/PSM/Burst三種操作模式的選擇版本，供電源？穩壓電路設計者所採用。同時凌力爾特也針對電源轉換？控制、電池充電迴路、白色LED發光二極體與背光元件的需求，提出各種電源晶片的解決方案。

在當今3C產品的電池供電迴路中，較為常見電路拓撲型態為Buck converter壓降式元件的設計，假使以工作電壓3.3V的DSP晶片，一般3.3V規格的鋰電池其輸出電壓動態範圍在2.8~4.2V，表示鋰電池一出廠可以供應到最大4.2V，但能使用一段時間之後輸出電壓逐漸衰減，當輸出電壓低於3.5V時，整體壓降電路將無法再運作，還可以供電的鋰電池被迫報銷替換；若採改Buck-Boost降？升壓元件的設計，即使鋰電池輸出電壓下降，甚至到接近壽命極限2.8V時，凌力爾特提供以四個switch電路設計的單晶體整合元件，也可藉由再升壓的方式讓整個電路繼續運作，形同延長20？30%的鋰電池使用壽命。

胡緯翰說凌力爾特另外提供了新的直流電源晶片元件(DC uModule )－9/15mm x 15mm x2.8mm的LTM4601/4602/4603/4604/4608直流穩壓元件系列，6/9mm x 11.25mm x 2.8mm的LTM8021/8022/8023直流穩壓元件，以結合以往單一低耗散線性穩壓元件(LDO)的外觀，以及Switching Regulator交換式穩壓元件的高轉換效能。LTM4600/8020系列由矽晶圓直接內建DC/DC控制器、MOSFETs電路、電感、電容以及補償電路，不須另外搭配電感、Mosfet、不需或最小輸出入電容，以及外搭補償電路的設計。

LTM4600/8020系列目前已有23組元件，同時提供了廣泛的輸出入電壓？電流規格，輸出電流0.2~12A，輸入電壓5~36V安培，輸出電壓0.6~34V，符合FCC B Class超低電磁雜訊溢散，工作溫度從-55~125℃，全系列提供Buck/Boost/Buck-Boost模式，多重電壓與LED驅動輸出模式。估計可以減少40~55%的電路面積，並縮減採購額外料件的前置作業時間、偵錯與組裝成本，加快新產品導入市場的時間(Time to Market)。

在節能環保風潮下，凌力爾特也開發一款運用壓電效應(Piezoelectric Engergy)的LTC3588-1元件，可透過壓電轉換器採集到的環境震動能量，經內部IC低損耗的全橋整流與高效率的buck架構，轉換成穩定的電壓？電流輸出，可做回低耗電環境檢測，或能源再回收電路的組件。

凌力爾特也在原廠官方網站提供了選購指南、晶片封裝資訊、設計建議、電氣與溫度特性、建議電路設計等技術資訊，而茂宣企業也提供Linear Tech產品的討論專區，提供本土化、在地化的技術諮詢與支援。