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创新电源管理技术 服务广阔便携式产品市场

2010-03-16 14:27:49 来源:《半导体器件应用》2010年3月刊 点击:1724

“金融危机”仍然经常被提及,但对于金融危机,人们的心情已不再沉重,因为在经历2008和2009年的大萧条后,半导体行业在2009年第三季度形势已经开始好转,从去年的第四季度到目前,整个行业似乎已经重新走上了恢复增长的轨道,业界人士对2010年充满了期待。

在电子产品领域中,便携式产品是发展最迅速,也是最活跃的应用之一。金融危机时期,便携式产品成为挽救行业的支柱之一,在危机过后,它的发展势必会更为迅猛,而最被看好的莫过于智能手机、智能本、电纸数和电动车等产品。据《中国经营报》报道,市场研究机构Strategy Analytics的数据显示,2009年,智能手机的销售量首次超过便携式个人电脑,达到1.738亿台,成为领先的便携式计算设备(以单位销售量为准)。2010年的MWC大会的任务智能化是世界移动通信发展的一大趋势,到2013年,智能手机和其他能上网的手机数量将达到18.2亿台。可以预见的是,2010年,智能手机市场影响将越来越大,手机销量将不断增加。

随着中移动、中电信和联通三大移动运营商对3G的大力推广,整个超移动设备(UMD)产品必将越来越多。UMD市场涵盖了移动互联网设备(MID)、超移动电脑(UMPC)和上网本。ABI Research预计,到2013年,UMD的总出货量将超过2亿台,与笔记本行业持平。目前,上网本占整个UMD市场的90%,到2013年,MID的供应有望扩大,产量占有率将提高到68%。行业调查预计,到2012年,全球MID的出货量将超过9,000万台,而从2008到2013年,全球市场的复合年均增长率将达到167%。

据市场研究公司iSuppli的最新预测,2012年全球电子书阅读器市场预计将扩大到超过1800万个,而2008年是110万。

相信在经历了金融危机的大萧条后,便携式产品市场的稳定、快速增长势必带动电源管理IC的增长。据iSuppli公司,继2009年经济成长放缓之后,预计未来几年中国电源管理IC(PMIC)市场将强劲扩张,吸引更多的国内企业加入。2009年中国PMIC营业收入降至39亿美元,比2008年时的42亿美元减少6%。但是,由于中国总体半导体市场复苏和国内需求巨大,预计该市场到2012年将增至47亿美元。

 

增强电池续航能力:IC厂商永恒的任务

电源系统作为所有功能的动力之源,一直是便携式产品设计中备受瞩目的焦点,而且随着便携式产品功能多样化的发展,使得电源管理日趋复杂。便携式设备最重要的电源设计指标就是电池的续航能力,这也是业界一个永恒的话题,而电源管理IC厂商的任务就是尽力把永恒变得短暂些。

长期以来,融合风成为引领便携式电子产业前进的主导力量,但也使系统的电源管理日趋复杂:既要全方位支持游戏、照相、音视频、网络和通信功能,还必须在尽可能地增强电池的续航能力。

香港精工技术有限公司深圳代表处技术经理卢维
“增强电池的续航能力,一方面,电源管理IC自身的功耗要降低;另一方面,提高DC/DC的工作效率。”

香港精工技术有限公司深圳代表处技术经理卢维认为:“增强电池的续航能力,一方面,电源管理IC自身的功耗要降低,所以我们所推出的新产品功耗都是不断地降低,比如我们的LDO产品最低功耗达到1微安;另一方面,提高DC/DC的工作效率。一些IC 公司是使用内置MOS管,而我们是采用外置MOS管,这样可以更好地提高DC/DC的工作效率。”精工起初是手表生产商,随着业务的发展,增设了LCD、IC、晶振和后备电池等与手表相关的事业部,因此它们产品的特点与手表息息相关:精度高;低功耗(最近开发了一颗世界领先水平的RTC,最低功耗达到0.25微安);低工作电压(精工的IC产品中最低的工作电压是0.3V,这是世界上最低的工作电压,可用在燃料电池、太阳能电池等新能源市场);小封装(精工的产品封装采用WLP工艺使产品的体积达到最小,WLP是一种可以直接从晶圆切割投入使用的封装工艺)。

美国灿瑞半导体有限公司市场部副总经理程学国:“增强电池的续航能力,需要“开源节流”。所谓开源即增大电池的容量,但会增大电池的体积,与便携设备小型化,轻薄化发展趋势相悖,这样节流就变得至关重要,对便携式系统需求的IC提出了更高的要求。电源管理IC需要提供更高的效率,更小的静态电流和稳定的负载输出。OCS(灿瑞半导体)应市场需要,推出了一系列高性能产品,效率可高达96%,静态电流低至30uA。当负载电流发生突变时,电源可在电池输出降至低于电源额定输出值(3.3V)时仍能保持输出稳定,电池的续航能力便可大大增强。”

o2Micro中国地区销售总监及北京分公司总经理Simon Wang认为:“解决续航力问题有两个途径,第一是有赖于电池技术的进步,第二要降低整个系统耗电,但不影响性能。”o2Micro公司一直以来致力於开发创新的电源管理方案,其专利CRC架构、Coolcharge技术,以及二阶段转换架构等新一代技术,在笔记型电脑应用方面得到业界的赞许。特别值得推荐的是o2Micro公司的Coolcharge电源管理技术。Simon Wan说:“Coolcharge使用的是我们公司的专利——混合供电技术,因为在主板当中,电源的面积占了很大一部分,Coolcharge技术能使电源管理部分的PCB面积减少2/3,甚至减少3/4。而且,它能使笔记本的核心温度下降20℃,从而降低了系统功耗,不需要使用底座风扇等散热措施。”据了解,Apple的air系列和dell的Adamo均有采用Coolcharge技术,Adamo是目前全球最薄的笔记本电脑,厚度不到1公分。

ADI公司大中华区电源应用与管理总监翟至钧
“在电池空间趋小,而提高电源效率趋于极限的情况下,ADI更加注重从便携式产品的系统角度考虑电源管理的使用效率”

ADI公司大中华区电源应用与管理总监翟至钧表示:“在电池空间趋小,而提高电源效率趋于极限的情况下,ADI更加注重从便携式产品的系统角度考虑电源管理的使用效率,例如ADI智能LED背光驱动芯片可以同时接收外部环境光线 (Ambient Light Sensing)以及视频内容明亮度 (Image Based Adaptive Backlight Control),以此实时调节LED背光的亮度,此动态调节过程完全依靠LED背光驱动芯片自身状态机进行处理,不需要主处理器参与运算干预,最大程度上实现了LED背光电源的智能化管理,并延长电池使用时间。”

在电源管理中,另一个备受关注的难题是:在电池供电的嵌入式系统中,解决产品的能耗问题通常采用高效率的电源管理芯片,或采用大容量的电池,但都已无法满足快速增长的芯片动态功耗和静态功耗需求。

程学国认为:“电源管理IC设计公司需要在芯片动态功耗和静态功耗做出更好的改进,满足市场的需求。”OCS(灿瑞半导体)的Hall产品采用CMOS制造工艺,工作电流仅为1.6uA,关断电流低至0.1uA;OCS的DC-DC系列产品OCP218×系列在轻载情况下自动切换省电模式,工作电流高达1.5A以上,而静态电流仅为30uA,极大程度的降低了芯片的静态功耗。

翟至钧则表示:“在便携式产品设计中,经常会面对不能同时满足动态功耗和静态功耗的系统难题。在这一点上,ADI提供了世界上最小的负载开关ADP190,PCB面积仅为0.8mm×0.8mm,小于1uA关断电流且内置Level-shift逻辑控制电路,可以灵活地开通或关断待机系统中不必要的电源旁路,以达到减少静态功耗以延长待机时间的目的。”

卢维说:“我们根据客户的需求提供解决方案。比如,目前客户降低功耗的方法是降低产品电压,为了满足这一需求,我们推出的新产品输出电压都比较低,像LDO,最低可以做到0.8~0.9V,DC/DC最低反馈电压是0.6V。”

随着便携式产品功能和性能日益增强,传统的电源管理技术面临了很多的难题,而PMU和智能电源管理成为了IC厂商克服难题的新选择。

美国灿瑞半导体有限公司市场部副总经理程学国
“随着主芯片厂提供大规模集成套片和系统成套方案的模式的扩大化,越来越多的产品会采用‘主芯片+PMU’这个模式。”

经历了数十年不断发展完善,特别是近几年,集成多个电源管理器件的电源管理单元(PMU)发展迅速,使得电源管理芯片从单纯的分立器件演变为PMU与分立器件平分天下的局面。据程学国介绍:PMU一般是为手机、GPS、MP4、PMP等特定主芯片配套的电源管理集成单元,它能提供主芯片所需要的、所有的、多档次而各不相同电压的电源,按主芯片需要而集成了LDO、DC/DC(Boost、Buck、Boost-Buck)、Charge Pump、Constant current、Charger、I2C、SPI……往往是主芯片厂商为其系统应用方案而客制化的。为降低成本,简化客户供应链和发挥防止被替代等优势,如MTK、掌微、瑞芯微等生产量大的主芯片厂商,都向下游工厂提供“主芯片+PMU”的手机套片、GPS套片、MP4套片……随着主芯片厂提供大规模集成套片和系统成套方案的模式的扩大化,越来越多的产品会采用“主芯片+PMU”这个模式。他表示:“OCS(灿瑞半导体)作为一个专业的电源管理IC设计/生产公司也会在PMU领域做出更完美的表现。”

谈到PMU,翟至钧介绍说:“具有较强应用针对性的uPMU是未来便携式电源管理的发展趋势,它不光集成多路电源输出,且具有一定的电源系统管理能力,例如ADP5025是专门针对数码相机应用的一款多功能uPMU, 4mm×4mm的芯片尺寸集成了7路DC-DC和2路LDO,并集成了RTC,备份电池及上电时序控制等功能。”

精工电子则认为:PMU是针对某些功能的应用,开发周期比较长,但是现在产品的功能变化很快,PMU不可能满足产品临时追加功能的需求,我们的DC/DC等产品能够帮助客户快速实现这些功能。

随着电子设备所具备的功能越多、性能越高,其结构、技术、系统就越复杂,传统的模拟技术电源管理IC满足系统整体电源管理要求的难度也就越大,价格也更加昂贵。由于智能化电源管理IC具有的数字能力,所以能够执行效率非常高的控制方法:既监测正在运行的功率消耗,又监测待机的功率消耗;还能自适应的调整电源的工作,以获得非常好的效率。另外,数字性能使得电源能够达到一个很高的集成度,因而潜在地致使系统成本下降,因此智能电源管理的需求越来越大。目前,数字电源在电源市场只占到10%的份额,据预测在未来2年内肯定会迅速成长,到2011年营业收入将达到9.04亿美元。

翟至钧认为:“模拟电源技术存在并使用了几十年,其原理和特性为人们所熟知。但随着对电源复杂度的提高和对电源智能化要求,数字电源技术越来越多被采用。相信随着技术的发展,数字电源技术的应用会将会越来越普遍,并与模拟电源技术长期存在,互为补充。目前阻碍数字电源技术的发展的瓶颈,主要是设计的复杂度和软件开发的经验,ADI的数字电源管理技术采用专门设计的ASIC控制芯片,替代了传统方案中采用DSP/MCU进行数字控制的方式,即使是毫无编程经验的电源工程师也可以利用免费GUI(图形用户界面)软件,毫无障碍地进行数字电源的开发。”他还表示,数字电源管理技术将是今后ADI电源管理的一个重要分支,它结合了ADI在ADC/DAC,iCoupler等技术方面的优势,提供给客户系统级的解决方案,帮助客户轻松而迅速的解决复杂的电源挑战。

电动自行车前景无限美好

随着去年哥本哈根会议的召开,节能、低碳在真正意义上被全世界政府所重视(当然,也有一部分原因是因为低碳经济是挽救经济颓势的良方之一)。于是乎,太阳能、风能等新能源技术以及低碳、绿色环保的产品大热。在便携式产品方面,电动自行车未来的发展值得我们关注。温家宝总理的政府报告指出,要鼓励和支持节能环保汽车的发展。除了发展小排量汽车和节能汽车以外,轻型电动车是一个重要的方向。目前,发展轻型电动车已成为国家发改委《节能中长期规划》中的交通节油的重要议题。据台湾地区经济部技术处预测,全球电动车(BEV、PHEV、HEV)的销售量在2018年将大幅成长至729万辆,其中85.9%使用锂电池作为动力电源,也就是有高达626万辆锂电池电动车市场。

o2Micro中国地区销售总监及北京分公司总经理Simon Wang
“我们拥有全球独一无二的“剩余电量估算算法”和按需均衡技术,能够解决锂电池因为不同因素所造成的不一致性所带来的容量变小和寿命变短等问题。”

据记者采访了解,业界对于电动车的前景是非常乐观,许多厂商在十几年前就着手这方面的研发。比如凹凸科技公司,拥有十几年的电池管理经验,开发了丰富的电池管理产品,广泛应用于诸如电动自行车、电动汽车、混合动力汽车等电动工具。Simon Wang表示:“电动汽车需要长的工作时间和安全性能;需要知道剩余电量;而且汽车电路的电压通常达到200~300多伏,因此需要多颗锂电池串联起来,如何使100颗左右的锂电池保持同样的电量、同时充满、同时放光就显得非常重要了。我们拥有全球独一无二的“剩余电量估算算法”和按需均衡技术,能够解决锂电池因为不同因素所造成的不一致性所带来的容量变小和寿命变短等问题。”目前o2Micro的这些技术主要应用在电动汽车,希望在不久的将来,能够在电动自行车上面看到它们的身影。

精工电子也非常看好这一市场,在IIC-China2010上精工电子重点展示了适用于电动车的50V 耐压LDO S1142。卢维介绍说:“这是一款比较新的产品,因为我们以前的LDO产品是采用CMOS工艺,耐压只能做到20几伏。S1142是我们采取特殊工艺做出来的,耐压可以达到50V,可以满足车载和电动工具的应用。它的主要特点是耐压高、功耗低(4微安)、精度可以达到正负1%,具有优秀的过热、过流保护。

精工电子在电动工具应用方面有单节、双节和多节等系列锂电池保护IC,而精工电子2年前推出的S8204比较有代表性。卢维介绍说:“这个产品跟我们以往的产品相比,有了一个很大的突破。因为市场上对于多节电池应用的需求越来越大,但市场上大多是单芯片的方案,这就相对地具有局限性,用分立元件做出的可靠性又比较低,没有一个很好地解决方案。而我们所开发的S8204 可以保护4个电芯,而且IC间具有通讯功能,也就是可以无限制的往上串接IC,比如说当需要8节电池时,可以串接2个IC。它还具有休眠功能,在电池将没电时,会进一步降低功耗。S8204能够提高客户开发产品的灵活性,从而缩短产品的开发周期。”

 

企业简介

美国灿瑞半导体有限公司

美国灿瑞半导体有限公司总部位于美国纽约,专注于霍尔传感器、电源管理及电源类分离器件的设计,是一家国际性的IC设计公司。主要有霍尔IC、电源管理IC和场效应MOSFET三大产品系列,同时也将致力于大功率LED驱动及微控制器应用的研究开发,其广泛应用于广泛应用于移动电话、无刷电机、液晶显示器/电视、数字通信设备、便携式设备及大电源LED驱动等。在大中华地区形成世界制造中心的优势环境下,灿瑞于2005年正式进入中国市场,凭借先进的技术背景、人才优势,迅速分别在香港、深圳、上海设立了办事处,而且采取多元化营销模式,以产品为线,以公司营销为主导,大力发展代理商,形成遍布全国的区域性销售网络,促进了灿瑞在中国大陆市场的迅速崛起。

日本精工电子有限公司

日本精工电子有限公司(SII)自1937年创业以来,一直以来以精益求精的精神制造出多元化成的产品,例如手表、晶振、后备电池,从这些电子产品发展到LCD/LCM,SII凭借多年来积累的高科技,产品范围遍布到全球。2000年SII以中国广东省广州市海珠区外经贸咨询服务部为合作伙伴,成立了广州精工电子有限公司(SEIKO)。这是以液晶显示屏和液晶显示装置为制造和销售的基地,主要产品是LCD/LCM(STCN)手机液晶显示屏和各种液晶显示器。

凹凸科技(O2Micro)

凹凸科技(O2Micro)是美国凹凸电子在华子公司的正式注册名称,包括凹凸科技(武汉)有限公司、凹凸科技(北京)有限公司、凹凸科技(深圳)有限公司、凹凸科技(成都)有限公司、凹凸科技(中国)有限公司五大分支。

凹凸科技的主要产品包括电源管理IC、LCD背光IC、DC/DC变换器、1394火线控制器、PC CardBus控制器、SD/MS/XD读卡器、USB 智能卡阅读器、网络防火墙、VPN、GPS射频模组、摄像头及图像识别软件等,广泛应用于Dell、联想、东芝、富士通、Acer等笔记本电脑。

亚德诺半导体技术有限公司

ADI公司是模拟集成电路制造商,其产品广泛用于模拟信号和数字信号处理领域,号称DAC/ADC之王。ADI自从1965年创建,总部设在美国马萨诸塞州诺伍德市,拥有员工约8,400人遍布世界各地,并且在马萨诸塞州、加利福尼亚州、北卡罗来纳州、爱尔兰、菲律宾和英国都有制造厂。ADI公司是业界广泛认可的数据转换和信号处理技术全球领先的供应商,拥有遍布世界各地的60,000客户,涵盖了全部类型的电子设备制造商。作为领先业界40多年的高性能模拟集成电路(IC)制造商,ADI的产品广泛用于模拟信号和数字信号处理领域。

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