不久前，電源穩(wěn)壓器產(chǎn)品巨頭——美國國家半導(dǎo)體公司(國半)在中國發(fā)布了6款高壓差器件(分別為LM5574，LM5575，LM5576，LM25574，LM25575，LM25576)，該系列器件輸入分別高達(dá)42V和75V，輸出可以低至1.225V，而電流則高達(dá)3A。具有主從同步功能，還具有內(nèi)置的保護(hù)電路和軟啟動功能，實現(xiàn)了1.5%的高反饋精度，動態(tài)范圍寬，工作頻率50KHz～500KHz完全可調(diào)。特別適合于汽車電子、通信和工業(yè)控制等領(lǐng)域的各種應(yīng)用。這6款器件的發(fā)布使該公司久負(fù)盛名且款式已達(dá)500多款的SIMPLE SWITCHER系列產(chǎn)品更加豐富多彩。

提到SIMPLE SWITCHER，可能還有些人不太熟知，但提到LM78××和LM79××穩(wěn)壓器系列，中國電子行業(yè)的設(shè)計師們可能無人不曉，其實，上述兩大穩(wěn)壓產(chǎn)品系列就是SIMPLE SWICHER家族的初級產(chǎn)品。SIMPLE SWITCHER從上世紀(jì)的80年代發(fā)明以來，從早期的固定式三端穩(wěn)壓器、輸出可調(diào)整的五端穩(wěn)壓器，到今天的LDO和高效的功率管理芯片，一直在伴隨并積極影響著中國電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

簡約實用，國半電源產(chǎn)品的靈魂

早期，電子設(shè)備規(guī)模比較小，供電電源常采用集總方式。但隨著電子技術(shù)的發(fā)展，這種方案呈現(xiàn)了諸多的缺點，包括布線復(fù)雜，EMI性能差，效率低、品種多和使用極不靈活等。為此，分布式解決方案漸漸占據(jù)了上風(fēng)。分布式解決方案幾乎克服了集總方案中的所有缺點，但唯一不足的是要求從事各種分系統(tǒng)和電路設(shè)計的工程師都要對電源設(shè)計有一定了解，這就限制了這種技術(shù)的推廣。國半正是瞄準(zhǔn)了這一點，推出了SIMPLE SWITCHER產(chǎn)品。

SIMPLE SWITCHER，顧名思義，就是功能實用，設(shè)計簡單！讓我們看一下SIMPLE SWITCHER是怎么來實現(xiàn)其先進(jìn)理念的吧！在初期的固定壓差產(chǎn)品中，典型的有LM78××和LM79××系列，工程師的電源設(shè)計只需根據(jù)系統(tǒng)電源和設(shè)計所需來選擇一個穩(wěn)壓器，再分別選擇一只輸入電容和一只輸出電容即可！為了應(yīng)對設(shè)計中的不確定性，可直接選用帶調(diào)整端的五端器件，在外加兩支電阻即可，如果用一只電位器來替代電阻器，就可以實現(xiàn)輸出電壓在很大范圍內(nèi)的任意調(diào)節(jié)。

圖1：LM5576內(nèi)部架構(gòu)和典型應(yīng)用方框圖
在今天的電子系統(tǒng)中，越來越多的功能和電能之間的矛盾以及小型化的影響對電源系統(tǒng)的要求越來越苛刻，與此相應(yīng)，電源的設(shè)計也日趨復(fù)雜。這對SIMPLE SWITCHER的產(chǎn)品理念提出了前所未有的挑戰(zhàn)。但盡管如此，國半似乎絲毫沒有動搖其設(shè)計理念。“即使功能得到很大拓展，用戶的設(shè)計過程還是一如既往的簡單，如同使用初期的SIMPLE SWITCHER器件一樣。一句話，我們就是要讓任何工程師都能設(shè)計電源。”美國國家半導(dǎo)體應(yīng)用工程師Frederik Dostal介紹道。為了做到這一點，國半推出了完善的在線仿真平臺——WEBENCH。該設(shè)計工具是一套完善的軟件解決方案，內(nèi)含多個單元，其中包括選擇無源元件、電路圖、所需元件清單、優(yōu)化電路性能等，務(wù)求能為客戶解決一切設(shè)計上的問題。該軟件集成了許多電源設(shè)計的經(jīng)驗和智慧，不僅能夠完成器件選擇，而且還可以進(jìn)行電氣仿真和熱仿真。利用該工具設(shè)計師可以迅速實現(xiàn)外部元件的選擇并仿真設(shè)計結(jié)果。而國半電源管理產(chǎn)品部產(chǎn)品總監(jiān)Mal Humphrey更自信地表示：“SIMPLE SWITCHER穩(wěn)壓器再加上WEBENCH設(shè)計工具的指導(dǎo)，任何設(shè)計師都可以很方便地在體積和效率等方面做出最優(yōu)取舍，并在一分鐘內(nèi)即可完成包括建模、優(yōu)化及分析在內(nèi)的整個設(shè)計工序。”

圖2：利用外部時鐘來同步電源芯片
精益求精，不斷提升新技術(shù)

一方面，要繼續(xù)追求簡單實用的設(shè)計理念，另一方面，電源器件的復(fù)雜度卻快速提升。WEBENCH只是解決了輔助設(shè)計，而真正解決種種挑戰(zhàn)的則還是新技術(shù)的精益求精。這在國半最新推出的器件中就可以得到很好的體現(xiàn)：

1. 利用各種技術(shù)孜孜不倦地追求效率的提高。盡管這次發(fā)布的新器件是側(cè)重高壓差低電壓輸出方面的種種問題，但效率一直是國半不斷追求的方向。“我們在追求更高頻率和更短的轉(zhuǎn)換時間的同時，從未忽視效率這一問題。我們通過架構(gòu)上的不斷優(yōu)化來實現(xiàn)效率的持續(xù)提高。比如引入Cboot來減小每個周期重新充電后的所需的時間。通過這種非常細(xì)微的架構(gòu)優(yōu)化，開關(guān)損耗大大降低，將調(diào)節(jié)器效率提高到96%",Frederik Dostal如此表示。而國半中國區(qū)電源管理產(chǎn)品應(yīng)用工程師程文濤則說：“雖然不同類型器件的側(cè)重不同，有的側(cè)重大壓差，有的側(cè)重更高的管理功能，但無論哪一類器件，我們都始終將效率作為一個主要優(yōu)化指標(biāo)。”

圖3：電流傳感信號由斜坡電流和基礎(chǔ)電流兩部分構(gòu)成
2. 采用精確的同步技術(shù)。以前，不少工程師對此重視不夠，認(rèn)為電源開機(jī)期間出現(xiàn)一些紊亂是必然現(xiàn)象。但隨著系統(tǒng)復(fù)雜度的不斷提高，電源的失步帶來許多的系統(tǒng)問題，如協(xié)議棧無法實現(xiàn)正確的握手，從而導(dǎo)致系統(tǒng)死機(jī)等許多潛故障。為此，在國半的新型穩(wěn)壓器中都設(shè)有頻率同步引腳，其中包括一個可調(diào)節(jié)的軟啟動，開關(guān)頻率可進(jìn)行外部調(diào)整，從而可實現(xiàn)不同型號的芯片自動調(diào)整并跟隨某個開關(guān)頻率的同步操作或與外置時鐘同步的操作模式，這樣不僅可以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，還可以提高EMI性能。關(guān)于這一點程文濤表示：“該功能并非只能對我們自己的新片系列進(jìn)行同步，還可以與其他公司的芯片進(jìn)行同步，只要對方的器件具有此功能引腳，因為我們的器件中具有靈活的調(diào)整功能。”

3. 采用獨(dú)特的模擬電流技術(shù)。該技術(shù)是該公司的專利技術(shù)，其核心就是拋棄常規(guī)的電流控制模式中的信號提取電路，而是利用專用的信號產(chǎn)生電路，來模擬理想降壓開關(guān)的電流信號。就此，程文濤介紹說：“檢測開關(guān)電流分整流和續(xù)流兩個階段。在整流階段中，常規(guī)方式是利用檢測電阻或通過互感電感兩端的壓差來檢出開關(guān)電流。但國半的專利技術(shù)中，無需檢測該電流，而是直接利用一個專用的信號產(chǎn)生器來模擬該開關(guān)電流。由于模擬的電流是理想的，無任何毛刺和過沖，從而使得這種控制方式比傳統(tǒng)的電流模式控制有更卓越的抗噪聲干擾能力。”實際上，最終開關(guān)電流信號模擬的斜坡信號和續(xù)流階段的斜坡基礎(chǔ)信號的兩者之和。“這樣形成的控制邏輯非常干凈。從而避免了低占空比、高頻率時產(chǎn)生的不穩(wěn)定性。進(jìn)而可以無條件利用電流模式控制的所有優(yōu)點”，程文濤補(bǔ)充說。 (end)