概述

任何事物都有其標準，在類似事物之間進行比較時，必須引入一種度量單位。比如，測量汽車的加速度時，標準的度量可以是以秒來作單位的0到60英里每小時（MPH）或0到100公里每小時（KPH）。這種度量單位表示的是汽車從完全靜止加速到60MPH（100KPH）所需的秒數(shù)。使用這種度量標準，顧客就可以用一個測量單位從汽車的幾個方面來評估汽車的價值，比如馬力/重量比、牽引性能調節(jié)、全輪驅動的效能以及其他特性。

隨著人們對器件的能源效益要求更高，往往也要求采用上述類似的方法來確定部件或系統(tǒng)的最佳性能/功率比。為此，美國國家半導體建立起一個產品性能指標作為測量器件功耗和性能水平的方法，而只有處于這些指標上層的產品才能成為PowerWise?產品系列的成員。表1中列舉了各組件系列以及其相關的指標和性能闕值，這些數(shù)據(jù)可幫助設計人員選出最高性能/功率比的產品。

表 1 – 各PowerWise產品系列的性能指標

開關穩(wěn)壓器指標

功率轉換是最容易理解的性能度量標準，即輸出功率(POUT)除以輸入功率(PIN)所得到的百分數(shù)便為效率。大部分現(xiàn)代的集成轉換開關，其效率都超過80％，但對于世界級的轉換開關來說，其效率一般要求達到85％至95％或甚至更高。集成電路（IC）的設計師可以通過采用不同的內部架構，以及可在負載較低時通過切換模式來降低靜態(tài)電流或直接進入休眠模式來達到這個目標。要成為PowerWise產品，美國國家半導體公司特別以拓撲或應用去分類，訂立出精密的性能指標。

開關穩(wěn)壓器指標 — 高 VIN / VOUT 比

在一個降壓拓撲結構中，由于輸入電壓遠遠高于輸出電壓 (VIN / VOUT > 7)，因此系統(tǒng)的占空比是十分小的。這種限制導致設計人員難以在這么低的占空比下獲得高效率，而所牽涉的問題包括是否能精確地感測到限流電流，是否有足夠的驅動和高端開關的開啟時間，以及是否可以盡量降低高及低端開關之間的死區(qū)時間（用于避免貫通電流的時間)。

相反，在一個升壓拓撲結構中，由于輸出電壓遠遠高于輸入電壓 (VOUT / VIN > 7)，因此在開關會出現(xiàn)大電流以能達到所需的輸出電壓（以及負載電流）。為了有效地移除該電流的影響，便必須使用一個導通電阻很低的FET。在這方面一般都可通過加大FET或選用不同的工藝來實現(xiàn)。此外，在設計高效升壓穩(wěn)壓器時會面對與設計降壓穩(wěn)壓器時類似的挑戰(zhàn)，以及需要作出類似的考慮。

在上述兩種應用中，假如有一個器件能在正確設計的電源中以高達85％以上的效率來工作，那該器件便是PowerWise產品系列中的最佳例子。穩(wěn)壓器電路僅僅只是一個復雜系統(tǒng)的一個組成部分，因此如何與其他的無源元件（例如電感器和輸出電容器）正確匹配是很重要的。為此，美國國家半導體公司提供了許多工具協(xié)助工程人員進行此類的計算，例如是WEBENCH?在線設計環(huán)境。

開關穩(wěn)壓器指標 — 開關頻率高于2 MHz

在選擇一個開關功率轉換器的開關頻率時，常常需進行系統(tǒng)折衷。在給定了紋波電流的條件下設計轉換器時，隨著開關頻率的增加，所選擇的電感值會按照下述數(shù)式給出的關系而出現(xiàn)下降。可是，電感器的滯后損耗和柵極驅動電流將會隨著頻率而增加，這將直接影響到功率轉換的效率。假如能夠有效地管理這種折衷，便可將功率轉換器的效率提升到90％以上，而這亦是PowerWise開關穩(wěn)壓器的性能指標。

低噪聲低壓降穩(wěn)壓器指標

采用低壓降穩(wěn)壓器（LDO）似乎并不是一個節(jié)能的設計，但是在某些情況下，低壓降穩(wěn)壓器卻是最適合的選擇，尤其對那些在運行時要求低噪聲的應用來說。這類低壓降穩(wěn)壓器一般都是用于高精密的模擬負載設備中，例如射頻收發(fā)器、精密放大器和數(shù)據(jù)轉換器等，在這些設備中，輸出噪聲往往是設備運行時十分關鍵的參數(shù)。而由于需使用功率來降低噪聲，因此所使用的度量方法會有一點不同。這包括以微伏均方根值為單位的輸出噪聲(en)除以最大輸出功率。在給定的輸出功率下，噪聲系數(shù)越小，器件的性能便越好。

LED驅動器

改善照明系統(tǒng)效率的方法有很多。其中一個簡單的方法是采用LED（發(fā)光二極管）代替白熾燈泡?，F(xiàn)代LED的每瓦流明數(shù)值遠超過了鹵素燈泡，因此LED在許多應用領域中都替代了鹵素燈照明，例如交通燈、汽車照明、信號燈以及其他一般照明。由于LED的亮度是與通過LED的電流成比例，并且LED的電壓與電流之間呈非線性關系，因此維持電流恒定對維持穩(wěn)定的光輸出和色純度至關重要。

LED可以應用于許多不同的領域，因此需要在開關轉換器中采用不同的拓撲結構以獲得所需的電流。如表1所示，當在閃光模式下使用一個LED時，比如在數(shù)碼相機中，高電流脈沖一般都要求有90％甚至以上的效率。作為PowerWise產品系列中的一員，這些器件還要求進行閃光持續(xù)時間的控制。在需要一大串LED的應用設備中，通常都會使用升壓拓撲結構，但這種拓撲會對開關轉換器提出額外的要求。在這種模式下，效率達到85％或以上的器件方能提供卓越的性能。

此外，某些設備在電壓電源較低時需要升壓，在輸出電壓較高時又需要降壓。這種情況在采用電池供電的設備中比較常見。這樣也對開關轉換器提出了額外的要求，并且降低了整個系統(tǒng)的效率。在這種LED拓撲結構中，效率達到80％或以上就可視為高性能，但一般都難以達到。與降壓開關穩(wěn)壓器類似，經(jīng)常以降壓模式（高輸入電壓到電流輸出）運行的LED驅動器，其效率要求則更高，一般要達到90％或以上方可看成一流的器件。除了考慮效率以外，LED也必須具有節(jié)能特性，如精確的調光控制和自適應環(huán)境光度調節(jié)，才能有資格列入PowerWise產品之內。

數(shù)據(jù)轉換器指標

在工業(yè)的領域中，數(shù)據(jù)轉換器件和系統(tǒng)的價值在于其每轉換周期所需消耗的能量。這一度量標準的目標是系統(tǒng)轉換器的AC性能，亦即取決于有效轉換位數(shù)(ENOB)。這一度量標準的單位為每次轉換的皮焦（pJ/轉換），可以通過ENOB或轉換器的信噪比與失真（SINAD）計算出來。

以上數(shù)式中的功率和頻率均采用國際系統(tǒng)單位，計算結果的單位為pJ/轉換。在上述公式中，P代表器件或系統(tǒng)消耗的功率，單位為瓦(W)，而ENOB代表轉換器或轉換系統(tǒng)的有效轉換位數(shù)，fs則代表最大采樣頻率(Hz)。至于ch值則表示轉換器中將所有值規(guī)格化為一個單通道的通道數(shù)量。在這方面的計算，可能需要使用到SINAD的數(shù)值（如第二個公式所示）：

放大器指標

對模擬信號進行處理時，需要使用放大器對信號進行縮放、濾波、檢測和提升增益，又或在無失真下以可預測的方式進行修正。市面上有很多不同種類的放大器，其中包括通用型、低噪聲、高精密度和高速電流反饋型等。無論是那一類放大器，其總體性能指標都是取決于放大器在無失真前提下通過信號的能力。這一指標與帶寬有密切的關系，因此美國國家半導體所采用的性能指標是增益帶寬乘積和放大器每一通道運行所需功率。

由于運算放大器的種類繁多，因此除了性能/功率比之外，還必須引入其他的度量標準。在表1中，給出了衡量不同放大器性能的其他度量標準（比如輸入電壓噪聲），這些數(shù)值對于該類別中的任何放大器來說都是閾值。

放大器的性能將繼續(xù)改進以能在較低的功耗下提供較高的速度和較大的帶寬。隨著新應用所要求的電源軌較低，整體能耗將會下降，從而提高了性能/功率比。目前，放大器電路設計的趨勢傾向于采用單一電源的放大器，而這些放大器需要在很低的功率下提供極大的增益帶寬乘積。在設計方面，可以通過降低寄生損耗和改進內部結構來達到這個理想。

比較器指標

與放大器相類似，比較器的性能主要取決于在給定電流下輸出狀態(tài)改變的速度。在給定電流下一個比較器切換開關的速度越快，其等級便越高。作為PowerWise產品系列的比較器，其輸出從一個狀態(tài)切換到另一個狀態(tài)的時間不能超過20 uS*uA，即轉換器可在1微秒內完成切換而期間只需消耗20 uA的電流。如果比較器在5微秒內切換狀態(tài)并且僅用2 uA電流，那么其等級便為10 uS*uA，有資格成為PowerWise系列的器件。

均衡器和數(shù)據(jù)緩沖器指標

接口設備如LVDS、移動像素鏈接MPL、電流模式邏輯(CML)等等的指標是取決于其在高速狀態(tài)下于媒介中有效地傳送數(shù)據(jù)的能力。一般情況下，由于電纜損耗和非線性的影響，如果要更快的驅動銅電纜就需要更高的功率。經(jīng)改進的驅動器加上適當?shù)慕邮掌骱途馄?，便可增加?shù)據(jù)的傳輸率和降低功耗，從而得出高的指標值。

該性能指標定義如下：

在數(shù)式中P表示驅動器的功耗，Trr表示數(shù)據(jù)傳輸速率。PowerWise產品系列對均衡器的度量標準最低要求是20 pJ/bit或以上（在媒介上每傳輸一位數(shù)據(jù)所需的皮焦），而對于數(shù)據(jù)緩沖器，其指標值必須是40 pJ/bit或以上。隨著CML的技術改進和均衡器的進一步加強，現(xiàn)已能消除對預加重和去加重的依賴性，從而將性能進一步提高，并同時延長了銅導線的使用。

時鐘方案指標

隨著系統(tǒng)性能的增加，并且運行速度越來越快，為了維持適當?shù)耐叫院屯ㄐ?，必須采用精確的時鐘。即使是采用了高性能模/數(shù)轉換器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也需要低抖動的時鐘，因為任何的抖動都將直接影響到該系統(tǒng)的性能。以下數(shù)式給出了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中抖動對信噪比的影響：

美國國家半導體公司所采用的時鐘調節(jié)器指標包括有功耗和和抖動性能，如表1所示。PowerWise產品系列要求時鐘調節(jié)器的指標值為每通道55 ps*mW或以上。時鐘調節(jié)器的功率越低或抖動越少，那功率/性能比便越高。這些數(shù)值均規(guī)范化為單一通道。

音頻解決方案指標

市面上有幾種不同類型的音頻器件可有助降低系統(tǒng)的功耗。這不單限于低噪聲和D類功率放大器外，還包括了許多新技術，例如是基于模擬的遠場噪聲抑制技術。至于D類放大器能否成為PowerWise產品器件便取決于轉換效率。PowerWise家族產品要求功率放大器的轉換效率必須為85％或以上。

低噪聲放大器可分為兩類：高壓型和低壓型。這兩類放大器的度量標準是其功耗/線性度比 — 這也是音頻器件的一個重要參數(shù)。

該性能指標的定義如下：

在上述數(shù)式中，P表示能耗而LIN則表示放大器的線性度（ch可上文所述為通道的數(shù)量）。高壓器件 (Vcc > 30V) 的度量標準是必須小于0.88 mW/LIN，而低壓設備 (Vcc 5V) 的則不能超過0.04 mW/LINdb。

遠場噪聲抑制技術主要是使用多個麥克風來消除環(huán)境噪聲，以便為例如移動電話等應用帶來更高的信噪比。

該性能指標定義如下：

在上述公式中，P同樣表示能耗，NS則表示噪聲抑制等級。在同樣的噪聲抑制等級下，數(shù)字解決方案所需消耗的功率是模擬解決方案的10到20倍。PowerWise系列的遠場噪聲抑制器件（FFNS）的指標值應不超過 0.17 mW/NSdb (DSP解決方案的約為 2.25 mW/NSdb)。

結論

美國國家半導體公司在設計能源效益電路上具有豐富的技術背景，特別適合使用在那些對散熱、尺寸和可靠性有高要求的應用?，F(xiàn)今的設計注重能源效益，美國國家半導體公司特別推出了PowerWise產品以協(xié)助設計工程師為其應用選取最低功耗的產品。隨著對產品要求提高，PowerWise指標將會越來越嚴格。同時，隨著越來越多的工程師開始追求更高的能源效益，美國國家半導體公司的性能指標和產品將會為他們提供合適的指引和解決方案，以克服這些嚴峻的設計挑戰(zhàn)。