電源管理的種種進展,並非在一夕之間發生,而是經過二十年的努力才能有如此顯著的進步。例如,僅僅在大約六年前,許多板卡端設計工程師的選擇仍是線性穩壓器,因為它們的使用很簡單,而且不太需要專業的電源設計技術,再加上線性元件的低成本。因此,在選擇穩壓器時,線性穩壓器的簡易特性使其成為普遍的選擇,而交換式穩壓器則是被歸類用於需要更高效率的高輸出負載。
今日,則有許多因素讓交換式穩壓器的使用更為普及,並應用於許多新興領域。首先,由於具有更佳的功率散逸特性,因此不再需要採用特別的電源封裝和散熱裝置,進而能減少整體複雜度及成本。第二,對於現在的系統設計師而言,電源預算管理變得極為重要,因此在選擇最佳的解決方案時,效率已成為主要的考量因素,而電源管理正是交換式穩壓器的強項,特別是在需要更高負載的情況下。第三,在過去數年間,交換式穩壓器的成本已有所下降,而半導體製程技術的快速進展造就了更高的整合度,進而能大幅縮減晶片尺寸。
現今許多交換式穩壓器都具有整合在單一封裝中的PWM(脈衝寬度調變)控制器、FET(場效電晶體)驅動器及功率型FET。這正是交換式穩壓器得以普及的第四個因素,更高的整合度能大幅增加切換頻率,如此一來,外部電感及電容的尺寸便得以大幅縮減,而最終的結果便是更小的電路板面積。
第五個因素則是「易用性」的增加。透過內部補償的交換式穩壓器,設計人員不再需要執行冗長繁瑣的複雜計算,才能決定構成高效率和穩定控制迴路的最佳外部元件。今日,設計人員可以簡單地從一組參數中選擇輸入與輸出電容,以及輸出電感。由於交換式穩壓器的簡易性,一般的設計人員可以利用其所能提供的更高電源效率,達到更少的散熱並得到最大的輸出功率。更佳的散熱、更高的效率、更低的成本、更高的整合度、更高的交換頻率及這些特性所造就的更小電路板面積,再加上簡單易用的特性,都讓交換式穩壓器成為線性穩壓器之外另一個頗具吸引力的選擇。在某些特定情況中,線性穩壓器仍是最佳的選擇,然而對系統設計師而言,交換式穩壓器的確已是較受歡迎的解決方案。
另一個關於功率調節的進展則是具備高度可程式特性的寬範圍電壓輸入(Vin)多組輸出電源解決方案的採用。今日,越來越多的系統必須具備多個電壓源,以支援電路板上不同的半導體元件。多輸出電源解決方案正足以滿足此需求,ISL6442便屬於此類產品,它在單一封裝中整合兩個PWM控制器及一個線性控制器,具有4.5V至24V的寬電壓輸入範圍。其交換頻率為可調設計,範圍從600 kHz 至2.5MHz,具有三種可調整的輸出,如此便能使用較小的輸出電感。其他的整合特性包括軟啟動、電壓監測、排序、電壓追蹤和PGOOD輸出。此整合性讓設計人員可以節省電路板空間,寬電壓輸入則讓設計人員僅需透過「複製、貼上」的設計便可使用於多種應用和平台上,能夠進一步節省開發成本。
隨著數位電源的出現,我們現在又更進一步接近了通用型可程式交換穩壓器。雖然數位控制電路仍未獲得大眾市場的驗證,然而,除了能提供數位可程式化參數外,數位控制電路可以達到的穩定效能已相當接近類比電路的穩定性。藉由數位介面的運用,電源設計人員可以快速且輕鬆修改數位電源整合電路的數位參數,以調整及微調電路補償、先進故障防護和監測、排序及啟動相關的參數,如此便能提昇穩壓器的效能並增加保護和穩定性。奠基於圖形使用者(GUI)介面的軟體工具讓電源設計人員能以一種簡單的方式進行數位程式化的工作。在數位電源出現之前,只有兩種人能利用這樣的彈性和控制性,一是設計階段的晶片設計人員,另一則是徹底瞭解外部補償電路的優異電源工程師。
此種藉由數位介面所提供的彈性和可程式性,讓設計人員得以開發出通用型電源解決方案,經由程式設計出符合各種平台所需的特定參數。單一通用型電源解決方案的使用將能簡化並加速系統設計週期,同時還能降低元件數目和成本。
隨著更精密的電源半導體製程(0.25 um和更小)以及功率封裝的進步,電源供應晶片製造業者現在已能結合高密度邏輯和電源FET來創造出更具成本效率、更高整合度及可程式化的電源解決方案。此類解決方案可以結合可提供高電流(2A-20A)的各種電源級,並能利用數位可程式控制器接受寬電壓輸入(4.5至36V)。這種結合將產生極具彈性的電源管理解決方案,能被廣泛應用且符合大部分系統的需求。
結果為何呢?就是一個通用型、寬輸入電壓的交換式同步穩壓器,其具備高度可程式化的特性,包括交換式頻率、遙測參數、輸出電壓、線路負載、排序和控制電路參數等。應有盡有,我們缺少的就只有語音辨識指令這個功能了。