PowerWise性能指標

概述

任何事物都有其标准，在类似事物之间进行比较时，必须引入一种度量单位。比如，测量汽车的加速度时，标准的度量可以是以秒来作单位的0到60英里每小时（MPH）或0到100公里每小时（KPH）。这种度量单位表示的是汽车从完全静止加速到60MPH（100KPH）所需的秒数。使用这种度量标准，顾客就可以用一个测量单位从汽车的几个方面来评估汽车的价值，比如马力/重量比、牵引性能调节、全轮驱动的效能以及其他特性。

随着人们对器件的能源效益要求更高，往往也要求采用上述类似的方法来确定部件或系统的最佳性能/功率比。为此，美国国家半导体建立起一个产品性能指標作为测量器件功耗和性能水平的方法，而只有处于这些指標上层的产品才能成为PowerWise®产品系列的成员。表1中列举了各组件系列以及其相关的指標和性能阙值，这些数据可帮助设计人员选出最高性能/功率比的产品。

表 1 – 各PowerWise产品系列的性能指標

开关稳压器指標

功率转换是最容易理解的性能度量标准，即输出功率(POUT)除以输入功率(PIN)所得到的百分数便为效率。大部分现代的集成转换开关，其效率都超过80％，但对于世界级的转换开关来说，其效率一般要求达到85％至95％或甚至更高。集成电路（IC）的设计师可以通过采用不同的内部架构，以及可在负载较低时通过切换模式来降低静态电流或直接进入休眠模式来达到这个目标。要成为PowerWise产品，美国国家半导体公司特别以拓扑或应用去分类，订立出精密的性能指標。

开关稳压器指標 — 高 VIN / VOUT 比

在一个降压拓扑结构中，由于输入电压远远高于输出电压 (VIN / VOUT > 7)，因此系统的占空比是十分小的。这种限制导致设计人员难以在这么低的占空比下获得高效率，而所牵涉的问题包括是否能精确地感测到限流电流，是否有足够的驱动和高端开关的开启时间，以及是否可以尽量降低高及低端开关之间的死区时间（用于避免贯通电流的时间)。

相反，在一个升压拓扑结构中，由于输出电压远远高于输入电压 (VOUT / VIN > 7)，因此在开关会出现大电流以能达到所需的输出电压（以及负载电流）。为了有效地移除该电流的影响，便必须使用一个导通电阻很低的FET。在这方面一般都可通过加大FET或选用不同的工艺来实现。此外，在设计高效升压稳压器时会面对与设计降压稳压器时类似的挑战，以及需要作出类似的考虑。

在上述两种应用中，假如有一个器件能在正确设计的电源中以高达85％以上的效率来工作，那该器件便是PowerWise产品系列中的最佳例子。稳压器电路仅仅只是一个复杂系统的一个组成部分，因此如何与其他的无源元件（例如电感器和输出电容器）正确匹配是很重要的。为此，美国国家半导体公司提供了许多工具协助工程人员进行此类的计算，例如是WEBENCH®在线设计环境。

开关稳压器指標 — 开关频率高于2 MHz

在选择一个开关功率转换器的开关频率时，常常需進行系统折衷。在给定了纹波电流的条件下设计转换器时，随着开关频率的增加，所选择的电感值会按照下述数式给出的关系而出现下降。可是，电感器的滞后损耗和栅极驱动电流将会随着频率而增加，这将直接影响到功率转换的效率。假如能够有效地管理这种折衷，便可将功率转换器的效率提升到90％以上，而这亦是PowerWise开关稳压器的性能指標。

低噪声低压降稳压器指標

采用低压降稳压器（LDO）似乎并不是一个节能的设计，但是在某些情况下，低压降稳压器却是最适合的选择，尤其对那些在运行时要求低噪声的应用来说。这类低压降稳压器一般都是用于高精密的模拟负载设备中，例如射频收发器、精密放大器和数据转换器等，在这些设备中，输出噪声往往是设备运行时十分关键的参数。而由于需使用功率来降低噪声，因此所使用的度量方法会有一点不同。这包括以微伏均方根值为单位的输出噪声(en)除以最大输出功率。在给定的输出功率下，噪声系数越小，器件的性能便越好。

LED驱动器

改善照明系统效率的方法有很多。其中一个简单的方法是采用LED（发光二极管）代替白炽灯泡。现代LED的每瓦流明数值远超过了卤素灯泡，因此LED在许多应用领域中都替代了卤素灯照明，例如交通灯、汽车照明、信号灯以及其他一般照明。由于LED的亮度是与通过LED的电流成比例，并且LED的电压与电流之间呈非线性关系，因此维持电流恒定对维持稳定的光输出和色纯度至关重要。

LED可以应用于许多不同的领域，因此需要在开关转换器中采用不同的拓扑结构以获得所需的电流。如表1所示，当在闪光模式下使用一个LED时，比如在数码相机中，高电流脉冲一般都要求有90％甚至以上的效率。作为PowerWise产品系列中的一员，这些器件还要求进行闪光持续时间的控制。在需要一大串LED的应用设备中，通常都会使用升压拓扑结构，但这种拓扑会对开关转换器提出额外的要求。在这种模式下，效率达到85％或以上的器件方能提供卓越的性能。

此外，某些设备在电压电源较低时需要升压，在输出电压较高时又需要降压。这种情况在采用电池供电的设备中比较常见。这样也对开关转换器提出了额外的要求，并且降低了整个系统的效率。在这种LED拓扑结构中，效率达到80％或以上就可视为高性能，但一般都难以达到。与降压开关稳压器类似，经常以降压模式（高输入电压到电流输出）运行的LED驱动器，其效率要求则更高，一般要达到90％或以上方可看成一流的器件。除了考虑效率以外，LED也必须具有节能特性，如精确的调光控制和自适应环境光度调节，才能有资格列入PowerWise产品之内。

数据转换器指標

在工业的领域中，数据转换器件和系统的价值在于其每转换周期所需消耗的能量。这一度量标准的目标是系统转换器的AC性能，亦即取决于有效转换位数(ENOB)。这一度量标准的单位为每次转换的皮焦（pJ/转换），可以通过ENOB或转换器的信噪比与失真（SINAD）计算出来。

以上数式中的功率和频率均采用国际系统单位，计算结果的单位为pJ/转换。在上述公式中，P代表器件或系统消耗的功率，单位为瓦(W)，而ENOB代表转换器或转换系统的有效转换位数，fs则代表最大采样频率(Hz)。至于ch值则表示转换器中将所有值规格化为一个单通道的通道数量。在这方面的计算，可能需要使用到SINAD的数值（如第二个公式所示）：

放大器指標

对模拟信号进行处理时，需要使用放大器对信号进行缩放、滤波、检测和提升增益，又或在无失真下以可预测的方式进行修正。市面上有很多不同种类的放大器，其中包括通用型、低噪声、高精密度和高速电流反馈型等。无论是那一类放大器，其总体性能指標都是取决于放大器在无失真前提下通过信号的能力。这一指標与带宽有密切的关系，因此美国国家半导体所采用的性能指標是增益带宽乘积和放大器每一通道运行所需功率。

由于运算放大器的种类繁多，因此除了性能/功率比之外，还必须引入其他的度量标准。在表1中，给出了衡量不同放大器性能的其他度量标准（比如输入电压噪声），这些数值对于该类别中的任何放大器来说都是阈值。

放大器的性能将继续改进以能在较低的功耗下提供较高的速度和较大的带宽。随着新应用所要求的电源轨较低，整体能耗将会下降，从而提高了性能/功率比。目前，放大器电路设计的趋势倾向于采用单一电源的放大器，而这些放大器需要在很低的功率下提供极大的增益带宽乘积。在设计方面，可以通过降低寄生损耗和改进内部结构来达到这个理想。

比较器指標

与放大器相类似，比较器的性能主要取决于在给定电流下输出状态改变的速度。在给定电流下一个比较器切换开关的速度越快，其等级便越高。作为PowerWise产品系列的比较器，其输出从一个状态切换到另一个状态的时间不能超过20 uS*uA，即转换器可在1微秒内完成切换而期间只需消耗20 uA的电流。如果比较器在5微秒内切换状态并且仅用2 uA电流，那么其等级便为10 uS*uA，有资格成为PowerWise系列的器件。

均衡器和数据缓冲器指標

接口设备如LVDS、移动像素链接MPL、电流模式逻辑(CML)等等的指標是取决于其在高速状态下于媒介中有效地传送数据的能力。一般情况下，由于电缆损耗和非线性的影响，如果要更快的驱动铜电缆就需要更高的功率。经改进的驱动器加上适当的接收器和均衡器，便可增加数据的传输率和降低功耗，从而得出高的指標值。

该性能指标定义如下：           

在数式中P表示驱动器的功耗，Trr表示数据传输速率。PowerWise产品系列对均衡器的度量标准最低要求是20 pJ/bit或以上（在媒介上每传输一位数据所需的皮焦），而对于数据缓冲器，其指標值必须是40 pJ/bit或以上。随着CML的技术改进和均衡器的进一步加强，现已能消除对预加重和去加重的依赖性，从而将性能进一步提高，并同时延长了铜导线的使用。

时钟方案指標

随着系统性能的增加，并且运行速度越来越快，为了维持适当的同步性和通信，必须采用精确的时钟。即使是采用了高性能模/数转换器的数据采集系统也需要低抖动的时钟，因为任何的抖动都将直接影响到该系统的性能。以下数式给出了数据采集系统中抖动对信噪比的影响：

美国国家半导体公司所采用的时钟调节器指標包括有功耗和和抖动性能，如表1所示。PowerWise产品系列要求时钟调节器的指標值为每通道55 ps*mW或以上。时钟调节器的功率越低或抖动越少，那功率/性能比便越高。这些数值均规范化为单一通道。

音频解决方案指標

市面上有几种不同类型的音频器件可有助降低系统的功耗。这不单限于低噪声和D类功率放大器外，还包括了许多新技术，例如是基于模拟的远场噪声抑制技术。至于D类放大器能否成为PowerWise产品器件便取决于转换效率。PowerWise家族产品要求功率放大器的转换效率必须为85％或以上。

低噪声放大器可分为两类：高压型和低压型。这两类放大器的度量标准是其功耗/线性度比 — 这也是音频器件的一个重要参数。

该性能指标的定义如下：     

在上述数式中，P表示能耗而LIN则表示放大器的线性度（ch可上文所述为通道的数量）。高压器件 (Vcc > 30V) 的度量标准是必须小于0.88 mW/LIN，而低压设备 (Vcc < 5V) 的则不能超过0.04 mW/LINdb。

远场噪声抑制技术主要是使用多个麦克风来消除环境噪声，以便为例如移动电话等应用带来更高的信噪比。

该性能指标定义如下：        

在上述公式中，P同样表示能耗，NS则表示噪声抑制等级。在同样的噪声抑制等级下，数字解决方案所需消耗的功率是模拟解决方案的10到20倍。PowerWise系列的远场噪声抑制器件（FFNS）的指標值应不超过 0.17 mW/NSdb (DSP解决方案的约为 2.25 mW/NSdb)。

结论

美国国家半导体公司在设计能源效益电路上具有丰富的技术背景，特别适合使用在那些对散热、尺寸和可靠性有高要求的应用。现今的设计注重能源效益，美国国家半导体公司特别推出了PowerWise产品以协助设计工程师为其应用选取最低功耗的产品。随着对产品要求提高，PowerWise指標将会越来越严格。同时，随着越来越多的工程师开始追求更高的能源效益，美国国家半导体公司的性能指标和产品将会为他们提供合适的指引和解决方案，以克服这些严峻的设计挑战。