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业界专家:如何应对设计挑战

导读: 相关媒体的调查结果显示,EMI/抗干扰设计、电源管理、信号处理、无线/RF设计、嵌入式应用软件、低噪声电路设计、PCB设计是工程师在系统设计过程中面临的关键设计挑战。在此,我们邀请了EMI/抗干扰设计、电源管理以及PCB设计领域的几位业界专家,请他们分享一些设计心得和技巧。

  相关媒体的调查结果显示,EMI/抗干扰设计、电源管理、信号处理、无线/RF设计、嵌入式应用软件、低噪声电路设计PCB设计是工程师在系统设计过程中面临的关键设计挑战。在此,我们邀请了EMI/抗干扰设计、电源管理以及PCB设计领域的几位业界专家,请他们分享一些设计心得和技巧。

  电源管理的关键是降低功耗

  1.从系统层面管理功耗和效率

  不同终端产品对电源管理技术的要求千差万别。以便携电源产品为例,便携式产品集成的功能越来越多,而由于空间的限制,要求芯片级产品具有更小的体积,更高的集成度,更少的外围器件。这就意味着电源管理IC要应对电池使用时间、高集成性、可靠性、外形因子以及成本等方面的挑战。ADI公司电源管理部门市场工程师张洁萍强调,目前便携产品的电源管理系统仍存在一些技术上的难题,主要体现在:如何提高电源效率;平衡效率与尺寸:提高频率可以使用较小的电感,从而有效减少PCB面积,但提高频率的同时,也会降低系统的效率;RF和音频线路则要求电源管理系统具有更低的噪音和更高的隔离。

  另外,高效、节能、环保是未来产品发展的趋势,如何提高系统电源的效率是厂商们所关心的问题之一。电源管理技术供应商已不仅仅局限在电源技术本身,从而形成了对更多的系统级知识的要求,比如对系统级信号处理技术的把握,以及电源管理和信号处理的结合,因此,实现在整个信号链上管理功耗和效率变得越发关键。

  针对以上的困难及挑战,ADI公司为当今低功耗应用提供高度集成、高能效、PCB面积需求更低的电源管理解决方案,可帮助系统架构师设计高能效电源系统。ADI产品的优势在于频率高、体积小、效率高、集成性强、噪声低、静态电流低、动态电压可调和灵活的接口。这些优势很好地解决了当今低功耗系统的电源挑战。同时,ADI公司通过改进功率器件工艺进而提高电源管理产品的效率。另外,从系统角度出发,符合系统应用及工作状态的控制方式极大地提高了系统效率。控制器件通过检测系统的工作状态,动态地调节输出电压来达到效率优化的目的。随着系统容量的不断扩充、电源的通道数增加,控制器件通过检测输出功率、调节输出通道的开通与关断来达到提升系统效率的目的。最后,ADI对前沿工艺大胆尝试,在集成度及功率密度等方面具有领先优势,如将多裸片集成封装,集成MOS采用特殊的沟道方式等。

  张洁萍补充说,开发人员在选择方案及元器件时还应考虑一定的冗余度、可扩展性、前瞻性。元器件在满足功能的条件下,在具有足够的可靠性的同时,完善的保护性能也是应该考虑的因素。

  2.改善智能手机系统功耗的途径

  智能手机设计人员和半导体厂商一直在探讨如何让有限的电池容量提供更长的工作时间。延长智能手机工作时间的最简单方法是提高电池容量。但是,功能手机的电池容量已经从500mAh提高到接近2000mAh。由于空间有限,要进一步将电池容量增加到2000mAh以上已经不太可行。虽然大多数新型智能手机的电池材料是锂离子聚合物,相比之前的产品具有更高的电量存储密度,但是仍不足以满足电量消耗要求。

  在当前的电池解决方案中,除了增加电池体积来获得更多能量之外,还可以拓宽电池的工作电压范围,以便释放更多的能量。例如使工作电压范围拓宽到从2.5V至4.325V。看起来这是个很好的想法,但其实并不尽然。现今手机电池的最小输出电压约为3.2V至3.3V,因为RF PA或存储器芯片等外设器件仍然只能工作于3.2V或更高电压。如果电池工作电压降至2.5V,则需要使用外部升压方式将电池电压从2.5V提升至3.3V。这会增加电路板面积并提高BOM成本。另一个考虑因素是升压转换器的效率,其典型值在80%左右。如果电池的工作电压范围拓宽,则可多获得10%~15%的能量。整个系统实际可以多获取8%至12%的能量。

  能够为电池单元提供更大电量容量的其它新材料正处于研究之中,但是距离真正上市阶段仍然有很长的路要走。如何减小智能电话系统的功耗,仍然是所有电话制造商面对的挑战。

  飞兆半导体公司高级市场业务推广经理李文辉认为,在智能手机中,电源管理集成电路(PMIC)是非常关键的元件。通过使用先进的制造技术,PMIC已经能够处理不同输出电压/电流要求中的更多电源轨。但是,处理3A以上的大电流输出电源轨并不容易。根据目前单独应用处理器(AP)或高级基带处理器(BB)的发展,ARM平台中的多核应用成为主流。这些多核处理器工作于低电压和大电流(3A或以上)条件。处理器制造商还在工作电压控制中集成了节能技术。在轻负载条件下,处理器工作于更低的Vin范围,以达到节能的目的,因而需要使用一个带有动态电压调节(DVS)的外部降压转换器。

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