触摸屏便携式电子产品振奋ADC芯片市场 DC/DC转换芯片有望取代LDO

2009-10-24 09:27:22 来源:《半导体器件应用》2009年10月刊 点击:1618

根据iSuppli公司的初步估计,2009年第二季度全球消费电子产品营业收入增至711亿美元,比第一季度的683亿美元增加4.2%。其中,智能手机销售强劲,2009年第二季销售量达4,090万台,较前一季增长27%。市场研究机构DisplaySearch发布的2009年第二季度全球笔记本总销量调查报告称,该季度全球笔记本总销量超过3800万台,相比第一季度增长了22%,上网本增长最明显,环比增幅高达40%。《2009年1—6月份中国数码相机消费需求调研报告》显示,中国数码相机消费市场需求继续保持平稳增长,需求量与去年同期基本持平。

可见,虽然世界经济哀鸿遍野,便携式电子产品市场却持续火热,特别是手机、笔记本和数码相机。近年来,随着人们的生活设施不断被数字化,数据转换器的需求量也越来越大,尤其是便携式电子产品触控技术的大量应用,使得ADC的市场大受振奋。而便携式电子产品越来越向高性能化、多功能化以及省电化发展,DC/DC转换器效率较高又能实现较大的电流输出,DC/DC 转换器的特点非常适合未来便携产品的设计需求,这对DC/DC转换器来说是个很好的机遇,同时也考验着DC/DC转换器厂商的技术能力。

触摸屏电子便携式产品市场火热,拉升ADC芯片市场需求

据databeans公司的调研报告显示,整个转换器市场2009年—2014年的复合增长率为12.5%,到2013年将达到40亿美元,而ADC在转换器中的份额所占比例最大,占据整个转换器市场的65%。今年ADC市场增长很大一部分原因是受益于便携式电子产品的市场回暖,尤其是便携式电子产品触控技术的普遍应用。根据DisplaySearch最新发表的2009触控面板市场分析报告中指出,由于受到经济冲击的影响,2009年估计出货将仅超过约4.8亿片,较2008年微幅成长3.3%。2009-2013年手机触控面板出货量年复合增长率为33%;同时受触摸屏手机市场的影响,数码相机厂商在今年也纷纷推出以触摸屏为卖点的新产品;而在笔记本电脑方面业界也有集成触摸面板的动向。ADC作为触控技术中重要的器件之一,触摸面板市场的繁荣使得ADC市场需求锦上添花。

手机是未来拉动触摸屏ADC需求的主要市场

目前触摸屏的应用范围从以往的银行自动柜员机、工控计算机等小众商用市场,迅速扩展到手机、数码相机、GPS、MP3,甚至笔记本电脑等大众消费电子领域。展望未来,触控操作简单、便捷,人性化的触摸屏有望成为人机互动的最佳界面而迅速普及。

今年8月19日市场研究公司Canalys称,第二季度,略低于半数的智能手机都配置了触摸屏。DisplaySearch报告指出,手机是目前触控面板最主要的应用产品。预计到2015年,应用在手机上的触控面板将会提高到40%左右的比重。触摸屏手机的普及与苹果iPhone的成功密切相关,自2007年起,手机市场在iPhone的魅力推波助澜下,正式引爆了手机使用触控屏幕的热潮。在看好全球手机市场拥有10亿支以上的规模,手机也成为触控屏幕业者所争相抢攻的主力应用市场。

有迹象表明,触摸屏在消费电子产品中的应用范围正从手机屏幕等小尺寸领域向具有更大屏幕尺寸的笔记本电脑拓展。目前,戴尔、惠普、富士通、华硕等一线笔记本电脑品牌厂商都计划推出具备触摸屏的笔记本电脑。不过,关于配备触摸屏是否能从10英寸以下的低价笔记本电脑,扩大到14英寸以上的主流笔记本电脑市场,业界仍存争论。业界普遍认为很高的成本和有限的功能使触摸屏PC难以摆脱边缘的地位。目前,触摸屏PC的销售量还不到全球PC销量的1%。虽然有人认为触摸屏PC销量会增长,但是实际增长速度没有某些PC品牌厂商预计得那样快。不过,业界对触摸屏笔记本电脑的市场是普遍看好的。伦飞电脑(昆山)有限公司工程部副理朱国平透露说:“工业笔记本电脑一定会用到触摸屏功能,而且已经应用了,我们公司的产品就有好几款触摸屏的工业笔记本电脑。”他表示看好触摸屏商业笔记本电脑市场前景。他认为虽然触摸屏功能在商业电脑用到的不多,但商业用笔记本电脑将来会普遍具备触摸屏功能,不过要等到触摸屏和控制IC的价格降下来。

随着科技的迅速发展,数码相机屏幕越来越大,其他的操作键就少了,触摸屏功能更成为数码相机最新的时尚趋势。许多数码相机厂商纷纷推出触摸屏产品,比如索尼T900采用一块3.5英寸92万像素触摸屏,三星NV100HD采用一块3.0英寸的46万像素的触摸屏幕。目前以触控为卖点是数码相机行业的一个趋势,不过未来中低端数码相机市场有可能被带摄像功能的手机取代。键邦电子有限公司开发部主任陈俊喜说:“手机中的摄像功能越来越强大肯定会对数码相机的市场造成一定的冲击,我们公司渐渐地就不做数码相机了,因为未来全部的低中档数码相机市场会被带数码相机功能的手机取而代之。”宁波广博数码科技有限公司硬件部经理李波也认为:“手机的数码相机功能肯给会冲击到数码相机的市场,特别是比较低端的数码相机市场。”


宁波广博数码科技有限公司硬件部经理 李波

虽然在便携式电子产品中,手机、数码相机、笔记本电脑产品今年上半年市场销售情况相对较为良好,但种种数据和业界意见表明,未来触控技术只有在手机市场是比较火热。触控技术在笔记本电脑的普及暂时只能寄望于高端的工业笔记本电脑;而中低端数码相机由于带摄像功能手机的冲击,未来的发展堪忧,不过未来几年触摸屏数码相机会是一个很好的卖点。而作为触控技术中的关键器件触摸屏ADC,手机是拉动ADC需求的主要市场。

CTSD架构ADC有望取代流水线架构ADC

CTSD 架构ADC是最近很受关注的一项新技术。CTSD架构ADC即连续时间sigma-delta模拟/数字转换器,它的优点在于更低功耗、添加信号调节等信号路径功能,而且可为模拟/数字转换器增添滤除混叠信号的滤波功能,大幅精简系统设计。CTSD是器件厂商相当看好的技术,他们普遍认为CTSD未来将取代流水线ADC。不过,许多整机企业对于这种新技术仍持观望态度。

有业界人士认为,目前常见的流水线型和逐次逼近型ADC架构无法满足同时需要高动态范围和宽带宽的新兴应用需求。目前的转换器领域存在着技术缺口,而CTSD ADC可以有效填补这一缺口。甚至有些人预期,基于CTSD的诸多技术优势,随着CTSD技术的发展,CTSD ADC一定会取代流水线架构ADC。

CTSD是一项较为复杂的技术,不少业界人士表示这种新技术必须在功能与特色方面都比现有技术更具优势才能受客户欢迎。华为技术有限公司上海研究所产品工程工艺部器件工程师邓建华也持观望态度:“我们手机已经用到CTSD ADC,目前还在试用这个技术,没有大量的应用,毕竟是新技术。”朱国平表示:“目前有用到CTSD,但没有全面用到,因为新技术都需要一个试用过程。CTSD ADC能否取代流水线架构ADC要看它的可量产型和可应用性程度,以及它的COST方面是否有优势。”

集成化、多通道将是ADC芯片的发展方向

最近,业界关于ADC与主芯片集成话题甚嚣尘上。直到不久前ADC几乎一直是主CPU的外围器件,最近有几家CPU制造商开始在主CPU中集成ADC模块和专用的触摸屏控制电路。在消费类设备、远程信息通信或一些面向其它市场的产品中,LCD显示屏和触摸屏非常普遍,当想把CPU用于这类产品中时,在CPU中集成ADC和触摸屏控制电路的做法会非常有意义。话虽如此,但业界对此还存在争议。不赞成ADC与主芯片集成的人认为:从系统优化方面来看,AD转换器不会走向集成。在把转换器整合到主要芯片之中时,总需要进行一些折衷考虑。由于主芯片以数字化为主并且工作电压相对较低,所以转换器集成到主芯片上面之后,信噪比(SNR)、无杂散动态范围(SFDR)这两个参数通常会变差。独立ADC的噪声和功耗性能好得多。因此,只有使用独立的ADC才能获得最佳性能。

不过陈俊喜透露说:“现在数码相机的CPU已经集成了ADC,连触摸屏里面的IC已经集成了ADC。这使得产品设计厂商不需要过多的考虑ADC的问题。”朱国平说:“ADC与主芯片集成的想法不错,不过要看它的可量产性和可应用性程度怎样,以及在COST方面是否有优势。”显然,ADC与主芯片集成更能满足整机的需求。

随着消费电子产品对尺寸以及功耗的要求越来越严格,一些ADC已被集成进主芯片中,另一方面,独立的ADC也需要集成进更多的功能及外围接口,业界人士认为经典的SPI、QSPI和Microwire接口很重要,可以实现与低成本微处理器间的通讯和降低成本,这对于消费应用非常关键。近年来无论是通信的需求、医疗诊断的需求、还是数字娱乐的需求,人类对图像的真实性和分辨率要求越来越高。而且,高速通信、高分辨率显示器、高性能音视频等功能不断增加对数据转换器提出了更为严格的性能要求。将来消费电子产品也会具备很多感测功能,这意味着必须精确测定温度、运动、游戏杆和马达的位置,以及其它许多模拟参数。因此,需要多通道ADC来满足所有测量需求,分辨率、转换速度以及功耗不再是选择ADC的唯一准则,其它准则包括有效数字位(ENOB)、信噪比(SNR)、无杂散动态范围(SFDR)、信道隔离度、高带宽、大动态范围。

高频DC/DC转换芯片未来有可能取代LDO

便携式电子产品越来越向高性能化,多功能化以及省电化发展,DC/DC转换器的效率较高又能实现较大的电流输出,DC/DC 转换器的特点非常适合未来便携产品的设计需求,特别是智能手机、笔记本电脑等中高端产品,所以目前在便携式电子产品的设计中大量采用了DC/DC。尤其是3G智能手机方面,从中高端的智能手机角度以及未来手机的发展来看,DC/DC将会成为仅次于PMU最为重要的电源管理器件。

便携式电子产品这块蛋糕虽然诱人,不过要想切到更多的蛋糕,对DC/DC转换器厂商来说仍有很多考验。因为在历经了从线性电源向开关电源转换的巨大飞跃后,在整机设计中占重要地位的电源转换效率的提升似乎一直没有再取得突破性的进展。由于开关电源自身的开关损耗,进一步的效率提升变得困难。

飞兆半导体公司技术营销经理Peter Amin Khairolomour表示:“技术突破的确不是经常有的事情。设计人员取得的大多数重要改进,都是从器件层面和系统层面两个方面的无数较小的增量优化而来。以降压转换器为例,我们仔细地优化了功率晶体管的特性,从而改进了非常关键的负载条件下的峰值效率。在系统层面,我们通过降压转换器的I2C接口来更精细地控制输出电压,以实现闭环优化,这对于更精密的节能动态电压调节(DVS)应用是至关重要的。”


飞兆半导体公司技术营销经理 Peter Amin Khairolomour

DC/DC转换器厂商仍致力于追求技术的完美,显然他们的努力是值得肯定的。据记者采访了解,目前无论是手机、笔记本和数码相机企业都认为DC/DC转换器技术已经成熟,基本上能满足他们产品设计的要求。朱国平表示:“DC/DC在NOTEBOOK的应用基本上都是大同小异的,技术方面也比较成熟。”

DC/DC+LDO方案深得企业欢心

除了像Peter所说的从器件和系统方面的优化来提高DC/DC转换器的转换效率,业界也有采用具体的设计分析来选择电压转换效率比较高的器件以尽量的减少功率的损耗。由于在不同应用条件下,LDO和DC/DC转换各有优劣。因此,一些公司采用了将LDO和DC/DC转换器的特点综合利用起来的方案来提高转换效率,同时可以减少成本。用DC/DC把输出电压降至中等电压,然后再利用LDO降至所需的低电压,以降低LDO级的总体功耗和提高效率是越来越常见的方法。这种方案提供了中等效率水平,比采用多个DC/DC具有更高的成本效益。

TCL数码科技(深圳)有限公司李潮兴经理说:“我们的产品有用到DC/DC和LDO两种电压转换器综合利用的方案,这是从成本上和其他各种情况来考虑的。”李波认为:“LDO跟DC/DC结合起来用肯定更能提高转换效率,我们公司的产品也用到这种方案。”陈俊喜解释说:“我们公司的产品有用到DC/DC跟LDO结合起来用的方案,但并不是所有的相机都适合用到这种方案,这要视数码相机所用电池的类型而定,3节3A电池是4.5V,就需要LDO进行降压。如果是锂电池的话就比较少用到这种方案。锂电池用到的电压转换器比较多,因为它有时要升,有时要降。”华为技术有限公司上海研究所产品工程工艺部邓建华则有另一番见解:“现在DC/DC在技术方面做得还不错,我觉得还不如直接把DC/DC做好一点,把LDO去掉。要取代LDO的话,必须在滤波方面下点功夫,把纹波滤除掉,然后再把体积做得小一点。”

高频DC/DC有望取代LDO

邓建华的想法其实正是时下业界非常关注的问题。传统上手机中的基带处理器利用LDO供电。LDO的优点是尺寸很小,而且不会在电池上产生可能影响其它元件的反射噪声,外部元件较少。LDO的缺点是其效率通常低于DC-DC转换器,而且效率随着芯片组电压要求的下降而下降。随着手机功能不断增多,手机对于功率的需求不断增加,许多设计师正在采用DC-DC转换器来代替LDO,以提高效率和维持电池寿命。安茂微电子股份有限公司技术部主任周小宁接受行业媒体采访时透露:行业内的本地企业都有朝DC-DC转换器市场迁移的痕迹,DC-DC转换器的价格正在向LDO靠拢,但其转换效率远超出LDO。他相信未来LDO的一部分市场份额一定会被DC-DC转换器所取代。

不过,仍然有很多行业人士从DC/DC转换器目前的体积和技术等方面考虑,认为DC/DC转换器要取代LDO暂时不可能。李潮兴认为:“DC/DC要取代LDO暂时是不可能的,相比之下,DC/DC的成本是更高的,而且它周边一定会用到与之相配的元器件,比如一定会用到电感、二极管之类的,同时它的体积也会更大一些。”李波也持相同的意见:“DC/DC不可能取代LDO等其他的电压转换器。DC/DC并不是做得薄小就可以了,它是工作在开关状态,会产出噪声、FET,不像LDO是工作在线性状态的,它的输出纹波很小,几乎没有开关噪声,在一些敏感的地方就必须用到LDO。”深圳中兴通讯股份有限公司康讯公司物流体系材料技术部经理杨勤义则表示:“LDO是非用不可的,LDO的好处第一是超低压供电,另外一个就是供电的精度很准,手机的供电精度很重要,因为高端手机的一些固定器件的信号是锁死的,电压稍有偏差,后续的供电都是用问题的。如果DC/DC的精度等各方面提高了,有可能取缔LDO,不过LDO它本身也在发展,它的优势是精度,如果它的转换效率提上去了,再加上它的尺寸和价格优势,它也会越来越受欢迎的。”


深圳中兴通讯股份有限公司康讯公司物流体系材料技术部经理 杨勤义

正像杨勤义讲的那样,LDO技术还在不断发展,目前采用的凸起芯片级等超薄封装的线性稳压器扩展了LDO自身的优势,未来的LDO在手机当中的应用趋向于VLDO的方向。Peter介绍说:“传统的LDO稳压器为数字处理器带来了低压电源,但由于需要直接与电池连接,使得效率低下。飞兆半导体的FAN2564是低VIN LDO器件,能提供DC/DC转换器相似的效率,但占位面积仅为一个LDO大小。通过使用低VIN工作,LDO的压降得以减小,并能实现高效率的功率转换。”

在电源电压转换方面,一些整机企业有不同的需求。陈俊喜透露说:“有些数码相机厂商已经尽量不使用DC/DC或LDO之类的电压转换器,使用这些器件价格会增加,效率又下降。电源IC本身就使用宽电压,不需要用到其他转换器件,直接用效率会更高,现在有些厂家逐渐地在开发这一系列的产品。”

从业界的反映来看,虽然对于DC/DC转换器在未来取代LDO有着很大的争议,不过,业界人士指出的不足,从另一个角度来看不就是DC/DC转换器的技术改进方向吗?假如DC/DC转换器能保持自身很高的转换效率,同时做到象LDO那样的小型、简单、低噪声和便宜的话,那肯定会受欢迎的。正如Peter说的那样:“手机中的稳压器数目中DC/DC降压稳压器占总体稳压器数目的百分比每年都在增加。问题在于,一方面传统的LDO会浪费更多的电能,DC/DC降压解决方案的主要缺点则是它们需要一个电感,而LDO则不需要。而另一方面,LDO能够省去电感的成本和所占空间,使得它在许多应用中脱颖而出。然而,只要使用开关频率高的器件,便可以减小电感的尺寸和成本,从而使支持使用LDO的理由变得薄弱。这一优势在使用功率较低的电压数字内核的情况下尤其突出。这样,LDO只会在唯一一种情况下仍然在基于传感器的解决方案中广泛使用,那就是在需要超低的噪声性能的应用中,如霍尔效应传感器或线性加速计。”

其实业界很多人的想法都跟Peter一样,认为DC/DC转换器要想取代LDO,高频化是一个非走不可而又令人期待的发展方向。不过,DC-DC转换器的开关频率提高后,器件的多项特性都会受到影响,主要包括输出纹波电压、EMI、转换效率这三大特性。所幸,不少行业厂商在这方面的技术已经取得令人欣慰的成绩。Micrel公司提供了一款新的产品MIC3385,该产品将降压型DC-DC转换器与电感集成在大小为3.0mm×3.5mm×0.9mm的单个MLP封装内。由于转换器芯片与叠层电感及其之间的连线都置于模块内部,因此用户无需担心EMI问题,安装较为简单。ADI公司也正在计划利用其专利的iCoupler隔离技术,将电感内置于降压型DC-DC转换模块内。

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