未来电源模块与高集成电源管理方案将一同发展
2007-01-12 16:10:14
来源：大比特资讯
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在提高功率密度的需求下，用于工业的电源模块不仅向着低电压大电流的方向不懈努力，而且体积也从1/4砖、1/8砖、到1/16砖不断缩小着；与此同时，便携设备配套的电源部分在pcb板上占据的“地盘”也被挤得越来越小。 为了满足设备对电源提出的持续缩小尺寸、降低成本等苛刻要求，电源芯片厂商正尝试把线性稳压器、DC/DC转换器、PWM控制器、LDO和充电IC等不同元件集成到单个器件上，以提供完整的电源解决方案。很明显可以发现：功率集成技术越来越简化了电源的结构。
功率器件被广泛的集成
在AC/DC转换器中集成PFC或PWM，能有效减少电网污染并提高转换效率，这已经得到广泛普及。此外，很多功率器件，如MOSFET、二极管等也与PWM控制器等一起，被集成在单一芯片内，从此在PCB上“消失”。目前不仅一些国外半导体厂商有此类产品，很多本土厂商也陆续推出很多产品。
多个LDO与DC/DC集成
通过多个LDO与DC/DC的集成，单一芯片可为设备输出多路电压，满足产品中不同部件的不同电压需求。并且，在轻载的时候LDO代替DC/DC转换器工作，有利于实现更小的噪音以及更高的效率。例如在美国国家半导体(NSC)的PowerWise能源管理单元的系列产品中，就把LDO、升压/降压功能或MOSFET集成在DC/DC内。NSC亚太区便携式设备电源产市场经理罗振辉介绍，“我们的LP3971产品中内置了3个高效率的1600mA可设定降压转换器及6个可设定的LDO稳压器，因此可以满足像英特尔XScale处理器等单片机系统的严格供电要求。”
此外，TI也有款电源管理产品TPS65020集成了三个具备集成FET的同步降压DC/DC转换器、三个线性稳压器以及一个I2C通信接口，可实现全面的可编程性与内核电压的动态电压缩放。该器件可用于包括智能电话、PDA、数码相机以及便携式音频与媒体播放器等。该器件的开关频率为1.5MHz，使设计人员能够采用诸如2.2μH电感器等小型外部组件，从而显著节省板级空间。
除了集成多个DC/DC和可编程稳压器外，意法半导体还把一个完整的USB-OTG块和主流的存储卡接口，以及处理器电源监控和复位监控组件集成到STw4810。其中一个独立的DC/DC降压转换器在600mA下为处理器内核提供1V到1.5V电压，另一个为I/O功能和通用功能提供1.8V的电压。三个LDO可编程稳压器给辅助设备和外设接口供电。USB OTG标准解决了市场对便携设备如手机、相机、PDA和MP3播放器之间无需连接主机即可在低功耗条件下互相通信的要求。
更多安全功能的集成
为了预防难以预测、具有潜在危害的瞬态电源尖峰和过热环境的风险，增强系统保护能力，一些标准功能，如外部保护，可被集成进IC里。比倒装芯片的封装还要薄的NCP1526厚度仅为0.55mm，是安森美一款采用UDFN封装的集成转换器，它不仅集成了低噪声LDO，高频振荡器，而且把软启动、逐周期电流限制和热关机保护等增值特性也集成了进去。尤其适合PMP、MP3播放器、手机数字多媒体广播或手持终端数字视频广播芯片组等多媒体便携式设备的应用微处理器供电。
通过把热插拔控制器和基于12位模数转换器(ADC)集成进数字电源监视器，美国模拟器件公司(ADI)的ADM1175-8系列，能够有效地测量和管理刀片式PC和电信系统中的功耗。其中热插拔控制器可以保护板卡免受电源和过热的瞬态冲击，并且允许板卡从2.7至14V供电的背板在工作期间安全地插入和拔出；数字电源监视器可以测量每个板卡的电源使用状况并且通过数字接口将数据发送给片外控制器。高度集成后，元器件成本比分立解决方案减少了33%，并把通常仅每秒100次采样提高到每秒10，000次采样。
未来必定还有更广的集成组合竭尽妙招解决集成负面影响
集成可以提升电源性能。集成之后的电源变成一个密封的块，电源连线之间的电感、电磁干扰等大大减少。“更多的集成意味着外部更少的元件数量，对工程师来说，减少外部元件的变数，能带来更高的可靠性，并简化其设计。”安森美半导体亚太区电源管理产品经理蒋家亮认为，“不过由于IC电路的复杂度提高，有可能会产生寄生元素。对于这个弊端，我们一般通过关闭电敏感器件或用消隐功能来解决。”由于在设计芯片的时候，考虑了市场和客户的需要，故设计出来的产品能针对客户所需，如驱动能力高、EMI抖动效果好、高能效、过压保护、低待机能耗、简化电路设计等等，他补充道。
电子产品越做，这导致大量的热集中在较小的范围，容易引起温度过高，引发散热难题。蒋家亮建议设计工程师通过良好的PCB布局来解决散热难题；或者采用表面贴装(如QFN)器件来代替直插穿孔器件。此外，NSC有一些新开发的电源产品带有热能调节功能，以LP3971为例，系统设计工程师只要采用动态电压调节技术，供电系统便可根据处理器的工作量及时钟频率调节输出电压，帮助系统进一步降低功耗。
对于IC供应商来说，使更多功能集成在芯片上，也是抵抗价格不断下降的一种方式，以在激烈的竞争中保持优势。“不过在模拟IC设计中，集成化进度稍微慢一点，这归结于需要使用大量的被动器件，譬如电感和电容。”Micrel公司电源产品市场总监Ralf Muenster指出，“例如在模拟电源管理中，一种典型的集成方式是将几个线性稳压器整合进单一的电源管理IC中。由于IC封装所能消散的最大热量有限，所以一定程度上限制了集成。由于线性稳压器的效率就是输出电压与输入电压的比率，这是很大一个限制。”
深耕芯片级之外，半导体厂商尝试电源模块领域
“电源设计的未来趋向是更轻巧，设计师不想再要一些外围的元器件，只希望用一颗电源管理IC便能大功告成。”蒋家亮指出，“我们预计对集成化电源管理芯片有大量市场需求的应用将包括机顶盒、DVD、笔记本电脑适配器、ATX、LCD电视显示器电源、打印机电源等。DC/DC稳压器会是安森美一个集成发展的方向，以满足高功率密度、低能耗及高能效的要求。”
不仅局限于芯片级，由于高集成电源管理产品本身也是由不同的电源模块组成，一些没有体积限制的电子产品的制造商也会选择电源模块以增加设计的灵活性。相比于模块电源厂商，半导体厂商的微型电源模块往往体积更小。目前许多半导体厂商表示，未来电源模块与高集成电源管理方案将一同发展。TI、凌力尔特、IR等半导体公司也都推出了自己的微型模块化产品。罗振辉也透露，“NSC未来将同时开发不同的高集成度电源管理方案及电源模块，以满足不同客户的需求。”
事实上，并不只是没有资源或不具备技术专长的公司开始青睐集成程度高的电源管理芯片。“其实对我们来说，公司有足够的开发资源。但确定合适的DC/DC控制器IC、MOSFET、电感器、电容器、电阻器和二极管等都需要花费时间，而且后期还得再进行复杂的调试。”某电子公司电源工程师表示，“考虑到快速上市的压力以及有限的PCB面积，我们还是选择了凌力尔特这款10A降压型DC/DC——μModule LTM4600。这款芯片内置电感器、MOSFET、DC/DC控制器、补偿电路和输入输出旁路电容，使我们投入在这方面的设计力量大为减少，而且PCB变得非常简洁。值得一提的是，它还可以并联使用从而把负载电流能力提高到20A。”目前μModule系列又新了5款产品，广泛应用在航空电子、工业、医疗、电信、刀片服务器、测试/测量等领域。
电源管理IC行业需跟上整机行业步伐
电子市场中的便携与非便携电子产品的数量激增，而且每件产品中的元件数量也不断上升。这种趋势要求为电子产品提供有效率的电源管理解决方案，从而刺激电源管理集成电路(PMIC)产业的发展。
“电子产品产业致力于开发外形尺寸更小的产品，并把更多的特点集成在一个单一的器件之中。”TechnicalInsights的分析师AshwiniMeena表示。“电子产品数量大增，节能需求增强，要求厂商开发更高级和更可靠的下一代PMIC。”PMIC产业面临的主要挑战是其外形尺寸不断缩小，导致总体复杂程度上升。另外，为了应对便携电子产品尺寸不断缩小的趋势，PMIC也必须变得更小。设计小尺寸便携产品的需求，已导致半导体产业的制造工艺向更小的尺寸方向发展。IC的尺寸缩小和集成度的提高，造成了热管理问题。
Meena指出，研究人员正在开发具有创新性的封装技术，降低发热量，以解决上述散热问题。电源市场高度分散，而且PMIC领域竞争极其激烈。PMIC的应用领域非常广泛，厂商必须了解电脑和外设、通讯、汽车、消费电子和工业等大型最终用户市场的技术发展情况。因此，PMIC产业需要高水平的创新，因为它必须跟上技术高度发展的电子产品产业。PMIC供应商需要满足电子产品产业的设计要求。
汽车行业中LED使用的增加是电源管理IC市场的主要推动因素。数字电源和相应监控软件、IP将成为电源管理IC领域的重要技术。
安森美半导体消费产品部市场总监Hyung-Sup Kim表示: “通过提供如新型超小封装NUP45V6系列的创新板级解决方案，安森美半导体不断满足设计工程师的需求。更小占板空间及超薄SOT-953封装技术使新型ESD阵列尤其适用于下一代微型电话。我们计划继续开发新的器件和重新封装我们的现有元件，以扩大并改进手持消费产品系列。这样，我们就可以提供众多高效、占位面积高度紧凑的元件解决方案。”
飞兆半导体公司亚太区总裁兼董事总经理郭裕亮指出：“飞兆半导体的分立功率半导体元件为功率设计人员提供了大量广泛的先进技术产品。飞兆半导体是全球领先的先进沟道功率MOSFET(采用我们的Power Trench技术)和IGBT制造商。这些技术支持广阔的应用领域，如DC-DC转换器、AC/DC电源和超便携式电源管理。这些技术的高级版本，如SyncFET，是专为在同步降压转换器中获得最高效率而设计的。高压Stealth整流器技术可为大功率解决方案提供软恢复特性产品，而飞兆半导体的SuperFET高压、电荷平衡式Power MOSFET系列为600V器件提供了极低的导通阻抗。”
飞兆半导体公司已推出业界封装最小的P沟道MOSFET器件FDZ191P，可为各种低压(<20V)便携式电子产品提供功率转换、充电和负载管理所需的最佳热性能和电气性能。
飞兆半导体低压功率产品部市务总监Chris Winkler称：“飞兆半导体的FDZ191P正在为超小型及高性能MOSFET市场设立新的标准，并同时印证了飞兆半导体的专业技术，结合高密度的MOSFET硅片来开发尖端的封装技术。飞兆半导体采用1.0mm×1.5mm WL-CSP封装的产品系列正不断扩展，为设计人员提供了理想的解决方案，能够应付低压设计对于空间和功率管理电路方面的挑战。”
飞兆公司上市的首款双电源双向电平转换器FXL2TD245，可在两个逻辑电平之间配置单向和独立的双向电压变换。除了在多种低压应用中为设计人员提供无与伦比的设计灵活性外，这种采用MicroPak? 封装的变换器电平转换器还能协助他们大幅节省线路板空间。FXL2TD245的外形尺寸仅为0.55mm x 1.6mm x 2.1mm，比较采用SOIC封装的同等双电源电平转换器的体积减小80% 。它亦可替代典型设计中使用的两个1位组件。这种超小型电平转换器适用于移动电话、PDA、游戏装置及其它便携式应用，其宽泛的电压范围 (1.1 – 3.6V) 并可满足各种消费和工业应用的电压要求。
飞兆半导体逻辑产品技术市务经理Gary O’Donnell称：“飞兆半导体的FXL2TD245可为每个位提供独立的方向控制，这是真正的独特属性，能够配置电平转换器以用于多种不同的设计。FXL2TD245采用超紧凑型MicroPak封装，提供全面的功能性，而其占位面积较市场上同类产品小很多。这种灵活及外形紧凑的电平转换器能协助用户大大缩短上市时间、节省线路板空间及降低材料成本，所有这些都是现今低压应用的关键考虑因素。”
高速增长的手机市场对电源管理芯片提出更高要求
近几年来，随着中国手机产业逐渐走向成熟，生产厂商数量的增加、政府对产业的扶持和各种产业园区的规划建成、几大配套完善的手机制造中心的形成、全球手机产业向中国内地的转移、TD-SCDMA产业链日益完善以及中国3G的商用临近造就了中国手机产业的高速增长。2006年1-9月份，中国手机产量已经达到了3.3亿部，预计2006年全年将再创新高突破4亿部。手机产量的高速增长带动了手机芯片的市场需求，赛迪顾问预计，2006年中国手机芯片的市场需求将达到96.9亿片，较2005年增长64.5%。
在手机越来越普及的今天，手机已经不再仅仅作为一个通话工具，而是在通话的基础上增加了拍照、MP3、F M等功能，使其成为可以拍照、听音乐的多媒体手机。多媒体手机产量的增加带动了音频IC、图像IC和FMTuner的市场需求，同时也带动了红外收发IC、蓝牙IC和半导体存储器的市场需求，除此之外，一些高端手机上还出现了GPS、 Wi-Fi等功能，这也是未来手机多媒体应用发展的趋势。目前，像蓝牙芯片、红外芯片、音频芯片、FMTuner等基本都实现了单芯片解决方案。德州仪器推出了高端应用处理器解决方案，在应用处理器中集成了这些功能。由于技术的发展和低成本的需求，基带处理器和应用处理器会集成更多的功能，但目前为止，绝大部分多媒体应用仍未被集成进来。另外，红外应用的市场份额将会随着蓝牙和Wi-Fi应用的增加而逐渐降低。
未来几年，3G应用将成为带动手机芯片增长的有利因素。2007年中国3G网投入使用将使中国3G手机产量大幅增加，同时由于3G手机和2G手机的不同，3G手机对芯片的需求也将主导手机芯片的发展。3G手机较2G手机最明显的优势就是下行速度由128Kbps提升到了384Kbps，而多媒体功能就是对快速下载最好的应用。因此，未来几年，多媒体芯片的市场地位仍然处于上升阶段。
3G的应用还会对电源管理芯片提出更高要求。目前，电源管理技术基本可以满足目前以语音工作模式为主的2/2.5G手机应用，待机时间长达一周、通话时间可持续数小时的手机并不少见。而对于3G手机来说，其对电源管理的要求则完全不一样，这种多模式设备不仅有语音功能，由于用户会长时间用手机获得网络服务，其数据功能所占比重将越来越高，3G手机提供的一些娱乐功能、商务功能、现场视频语音功能等都会消耗大量的电能，因此3G电话在平均功耗方面与现有的2G相比有很大的增加。在对功耗要求越来越高的情况下，必须采用全新的或者技术更加先进的电源管理方法，否则，电池功耗问题将会影响用户对3G手机时代的期待值。
美国模拟器件公司发布了可为基于3G TD-SCDMA低码片率（LCR）空中接口的高级多媒体移动手机制造商提供第二代芯片组。新的SoftFone?-LCR+芯片组扩展了ADI公司 TD-SCDMA 技术解决方案的种类，并通过增加对多种增强的多媒体功能的支持，增强ADI公司作为TD-SCDMA技术开发领先公司的传统地位。
ADI公司主管射频（RF）和无线系统的副总裁Christian Kermarrec先生表示：“第二代SoftFone-LCR芯片组巩固了ADI公司的技术实力，证明了我们对加速开发TD-SCDMA技术所做出的努力。随着中国向3G网络市场的发展，ADI公司的技术实力有助于解决运营商和手机制造商面临的多种问题——部分公司注重现有客户的升级（主要是基本语音手机功能），另外一些公司则直接瞄准具有高级音频和视频功能的高端市场。SoftFone-LCR+芯片组的性能可保证用户在新的3G网络上享受高级多媒体使用体验。”
根据Signals Research Group， LLC公司首席执行官（CEO）Michael Thelander先生评论：“ADI公司扩展的TD-SCDMA 芯片解决方案是对ADI公司以及其继续开发TD-SCDMA产品的有力证明，因为TD-SCDMA是可支持多种应用和终端用户的标准。由于TD-SCDMA的应用朝着全商业化道路发展到第二代产品，所以本次的新品发布还说明了有助于ADI公司受益于3G标准的快速发展。”
很多基带厂商都推出或者准备推出单芯片手机解决方案，提高芯片的集成度是降低成本的有效方法。半导体厂商正努力做到在降低成本的同时尽可能地提供更多的功能，因此将一些多媒体应用功能集成到基带和应用处理器中是手机发展的必然趋势。在基带处理器中集成多媒体功能的同时，手机半导体存储器也在朝着低成本、低功耗、高效率的方向发展，也就是 MCP(多芯片封装)。MCP是将Flash、DRAM等不同规格的芯片利用系统封装方式整合成单一芯片的技术，具有生产前置时间短、制造成本低、低功耗、高数据传输速率等优势，已经成为便携式电子产品领域中嵌入式内存产品最主要的封装技术，数字电视、机顶盒、网络通信产品等也已经开始采用各种各样的MCP产品。目前已经有一部分手机使用了MCP芯片，未来MCP芯片必将成为主流架构。
提供更高能效的IC是成功的关键
中国正在快速采用各种各样的电子产品，因此带来了对节约能源的庞大需求，而半导体供应商在这个发展过程中扮演了不可缺少的重要角色，即能够提供更高能效的IC是关键。由于中国许多产品都出口到了那些必须满足“能源之星”、“蓝天使”、“1瓦倡议”及其他机构和政府规范的国家，IC的功率优化非常重要。即便是中国自身，诸如CCC规则等本土要求也促进了功率优化IC的采用。在AC/DC市场上，功率开关是达到这一目的的一种方式。通过将SenseFET、PWM控制功能集成在小封装内，这些功率开关能够节省空间，同时借助先进的间歇工作模式来保证低开关损耗，从而达到系统待机功耗低于1瓦。
在消费电子和白色家电应用中，设计人员越来越多地采用变频电机来提高效率。由于许多变频电机用在需要节省空间的应用中，将分立功能集成于一个模块是在终端应用中节省空间和实现高效率的一种方法。由于采用二极管和IGBT的非集成方式会增加发生故障的机会(进而影响可靠性)，更适当的做法是使用具有最优热阻的封装技术(mini-DIP)，集成高压IC(HVIC)、低压IC(LVIC)、IGBT以及快速恢复二极管。
拓扑或者构架的使用是改善能效的一种重要手段。SEPIC(Single-Ended Primary Inductor Converter)是一种拓扑，对于由电池供电的应用和汽车应用特别具有吸引力。SEPIC布局的用处在于：无论输入电压高于或者低于输出电压，都能够提供稳定的输出电压。鉴于此，SEPIC布局有时也用于带有功率因数校正的电源转换器。
功率因数校正就是对输入电流进行重新整形，使其具有正弦特征，从而对交流墙壁电源更显阻性特征。达到这一目的的最常用方法是在二极管桥和电容之间添加一个升压转换器。升压转换器除了调整输入电容两端的电压外，还利用电流反馈技术对输入电流重新整形。正弦电流波形仅代表一个单次谐波，因而降低了从墙壁电源吸收的均方根电流，从而减轻了办公室、家电连线以及电厂的负担。
英飞凌设计出了专门用于提高低压电源转换器性能的OptiMOS3产品家族。该产品家族与前一代产品相比，通常可使能源效率提高1%至1.3%。这种提升幅度看似不大，但从技术的角度讲是很难实现的，它可以实现很大的节能量。如果全球1，200W服务器供电系统的能效都提高1%，全年即可节省约360兆瓦的电量，相当于一个传统发电厂的发电量。
“OptiMOS3产品家族不仅能帮助电源设计者实现未来系统设计的功率要求，而且有助于节能。”英飞凌公司电源管理和供应业务部高级主管Andreas Urschitz指出，“能效提升，开关特性改善，功率密度更高，可靠性更强，这些不仅可以提高电源解决方案的性能和能效，还可以降低成本。”
国际整流器公司推出最新150V DirectFET MOSFET IRF6643PbF，适用于36V至75V通用电信输入及48V固定输入系统等多种运行环境的隔离式DC-DC转换器。新型DirectFET器件采用IR先进的DirectFET封装技术及新一代HEXFET功率MOSFET硅，额定电流可达35A，其散热表现更加卓越且效率更高，而占板面积则只相当于扁平型SO-8封装。
IR亚太区高级销售总监曾海邦表示：“IR DirectFET系列的最新器件通过持续改善影响功率MOSFET、RDS(on)、QG及QGD性能的关键参数，将传导、开关及反向恢复损耗降至最低。这些改进不仅可保证器件在较高电流电平下工作，同时也保持了单个MOSFET的小巧体积。由于电路版的面积减少了50%以上，因此现在一个DirectFET MOSFET可以替代两个或三个SO-8封装器件。”
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