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破除低电压迷思重新审视高电压设计必要性

时间：2007-08-30 09:52:34

关键字：低电压高电压 BSP POE

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[导读] 今天，几乎在所有的系统设计中，‘低电压操作’已成为一个最流行的词汇，而且正日益占据主导地位。取代仅仅几年前的那些双极型15V电源，我们已经逐步把系统的电源电压依次从12V、5V、3V降低到了现在的1V，而且，

今天，几乎在所有的系统设计中，‘低电压操作’已成为一个最流行的词汇，而且正日益占据主导地位。取代仅仅几年前的那些双极型15V电源，我们已经逐步把系统的电源电压依次从12V、5V、3V降低到了现在的1V，而且，通常采用的是单极型电源。

这一切都是为了降低功耗。一位朋友告诉我，他正在使用的处理器具有一打以上的电源轨，标称电压在1V和3V之间，并具有不同的容差。由于CPU设计工程师希望揭开能以最小功耗满足最大性能要求的致胜点(sweetspot)神秘面纱。因此，如果该处理器周围充满了大量的小型稳压器IC以支持那些电源轨呢？很遗憾，那不是CPU设计工程师的问题─它是你－作为一个系统设计工程师所必须面临的问题。

我确实想知道，一些模拟件供货商是否曾经采取过一些富有远见的行动，将某些IC设计工程师派遣到数字IC公司充当所谓的‘鼹鼠’(moles，此处意指长期潜伏的间谍)？这些‘鼹鼠’们坚持尽可能多地采用不同的电源轨，以刺激更多与电源IC相关的业务。正如微软日益庞大的软件操作系统能够驱使对PC中RAM和硬盘的要求一样，我的想法说不定是真的。

然而，除了所有的低电压议论之外，模拟和电源公司都知道，较高电压系统的运作非常良好，在业界，这几乎不是秘密。看看这些公司们近来推出的产品，你将看到许多组件具有两位数的输入和输出电压额定值。这些组件并不是针对特殊应用，例如需要几百伏电压的X光管，虽然它们所需的电流非常低。这些拥有两位数电压的组件主要是针对10到100V范围的电源所设计，所提供的电流为几个安培。

为什么是这样呢？正常情况下，是物理现实(physicalreality)定义了模拟世界。在输入端，你可能想工作在从汽车电池的12V标称电压(通常更高)到48V的电信电源电压范围内。在输出(负载)端，则是执行真实的工作并消耗功率。两个简单的方程式说明了一切：P=VxI和V=IxR。在线路中，大的IR损耗会因大电流而造成功率的浪费；而让人更加沮丧的是，较低损耗的导体是一种昂贵的解决方案。

现在，问题来了，究竟是谁需要这种功率呢？以用于视讯相机的以太网络供电(PoE)为例，以单一应用的角度来看，这种技术完全没有问题，因为其定义的功耗等级是适中的。然而，假设你还需要为相机的控制变焦(PZT)马达供电，尽管PZT功能并不是经常需要使用到，但它的临时功率需求却远远大于相机的功率需求。这个例子一样可用来说明PoE所面临的情况：一个简单的PoE电话是一个适中的负载，而充满了PoE设备的办公室却不是；同时，用12V为汽车提供5到10kW的功率是非常困难的。因此，汽车制造商已经启用了42V系统。

工程师都知道，最有效传输功率的途径是采用高电压、小电流。电源工程师在100多年前就已经了解这一点；这就是为何今天所有的舆论都朝向所谓的超低电压操作，而且研究降低功耗技术也成为一种热门议题之际，他们仍然持续提高传输线上电压的最主要原因。

让工程师这么做的电力定律，也可以让我们这么做。事实上，模拟IC供货商已经意识到这种事实，这也是为何他们重金投入较高电压制程和设计的主要原因，尽管今天几乎所有与电源领域相关的新闻，都是关于1V操作的组件。