電源及電源管理領(lǐng)域的幾個(gè)創(chuàng)新

王 瑩

摘要：2011年，電源類半導(dǎo)體產(chǎn)品將是一個(gè)250億美元的龐大市場(chǎng)。本文介紹數(shù)字電源、功率器件與電源管理的部分發(fā)展趨勢(shì)，及典型企業(yè)Intersil、英飛凌與Wolfson的產(chǎn)品動(dòng)向。

關(guān)鍵詞：數(shù)字電源；電源管理；電源模塊；Intersil；英飛凌；Wolfson

如今，低碳經(jīng)濟(jì)成為全球時(shí)髦之詞，我國(guó)是世界碳排放第二大國(guó)，電源輸出效率的提高和有效管理，成為了節(jié)能環(huán)保的重要環(huán)節(jié)之一。電源的哪些領(lǐng)域是增長(zhǎng)熱點(diǎn)?

數(shù)字電源增長(zhǎng)可期

數(shù)字電源十年前發(fā)展起來，目前頗引人關(guān)注。據(jù)iSupplit分析，過去五年來，數(shù)字電源技術(shù)一直處于電源市場(chǎng)的中心，未來五年數(shù)字電源市場(chǎng)的年復(fù)合增長(zhǎng)率(CAGR)為45.3％。2008年來，發(fā)生了幾次重要收購(gòu)，英飛凌收購(gòu)了Primarion公司，Intersil收購(gòu)了Zilker Labs，TI收購(gòu)Ciclon公司，Exar收購(gòu)了FyreStorm的知識(shí)產(chǎn)權(quán)。

2008年剛剛收購(gòu)專業(yè)數(shù)字電源廠商zilker Labs的latersil對(duì)數(shù)字電源的發(fā)展非常樂觀：“我相信數(shù)字電源總有一天會(huì)取代模擬電源。不過。這將是一個(gè)很漫長(zhǎng)的過程。因?yàn)檫@里涉及到很多因素，包括成本，還有所有模擬電源的性能是不是數(shù)字電源全部能夠做到，使得最后模擬電源無法跟數(shù)字電源比擬?！盜ntersil公司中國(guó)區(qū)總經(jīng)理陳宇說。

電源領(lǐng)域現(xiàn)在受到了很多不同于傳統(tǒng)的挑戰(zhàn)，其中最重要的幾個(gè)方面有：

·在高密度的應(yīng)用上所面臨的散熱和占板空間的挑戰(zhàn)，例如在多電壓域或?qū)捸?fù)載范圍內(nèi)仍要保持高效、快速的瞬態(tài)響應(yīng)，墻上電源有限等問題。

·復(fù)雜的電源管理需求?，F(xiàn)在的工程師在設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)大量采用DSP、ASIC、FPGA等，這就對(duì)電源管理提出了排序要求、上升沿控制要求和系統(tǒng)可靠性的要求等等。

·系統(tǒng)可靠性的關(guān)注。

數(shù)字電源可謂解決這些問題的一個(gè)很好的途徑。

一個(gè)芯片，多種方案

今天，有兩種形式的數(shù)字電源主導(dǎo)市場(chǎng)：

·數(shù)字電源管理器(DPM)，使用數(shù)字信息來管理電源系統(tǒng)及其中電源的整體運(yùn)作；

·電源數(shù)字控制器(DCP)，使用數(shù)字技術(shù)來控制電源單元內(nèi)部的功率開關(guān)功能。目前DCP已經(jīng)成為了主導(dǎo)技術(shù)。

例如，Intersfl-ZilkerLabs提供了一個(gè)智能化的數(shù)字電源管理解決方案，產(chǎn)品很有特點(diǎn)體現(xiàn)在：首先，可以在負(fù)載很寬的范圍內(nèi)提供高達(dá)90％的工作效率；其次，解決方案非常靈活?？蔀榭蛻籼峁┝艘粋€(gè)完全數(shù)字化的電路，客戶可以根據(jù)自己的需求在芯片內(nèi)部做配置，Intersil-zilker Labs也可以根據(jù)客戶的要求在生產(chǎn)芯片的時(shí)候就為客戶完成這個(gè)配置；最后，產(chǎn)品具有高集成度(如圖1)。

具體來說，在高集成度方面，傳統(tǒng)的模擬解決方案一般都需要限流電路、回路補(bǔ)充電路、時(shí)鐘同步、高精度的檢測(cè)電阻和輸出電壓的配置等周邊電路或器件。但在數(shù)字電源解決方案中，上述功能可全部數(shù)字化后集成在一塊芯片中。

數(shù)字電源解決方案的另外一個(gè)優(yōu)勢(shì)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單：同一塊IC可以適合很多不同的應(yīng)用，從3A到40A，只需要把輸出端的MOSFET和電感電容調(diào)整好就行。所以當(dāng)工程師做出一套解決方案之后，可以很容易地?cái)U(kuò)展到其他規(guī)格要求的解決方案上。所以可實(shí)現(xiàn)“一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，多套解決方案”的目標(biāo)，可以大幅縮短產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間。

數(shù)字電源目前適合高端應(yīng)用

iSuppli認(rèn)為，數(shù)字電源增長(zhǎng)最快的領(lǐng)域?qū)⑹歉叨朔?wù)器、數(shù)據(jù)通信和電信市場(chǎng)，預(yù)計(jì)筆記本電腦和顯示卡等低端計(jì)算市場(chǎng)將隨后加快增長(zhǎng)。

“盡管數(shù)字電源能夠?yàn)榭蛻魷p少元件的數(shù)量，因此整體的成本會(huì)更便宜，”Intersil亞太區(qū)業(yè)務(wù)副總裁Kent Chon認(rèn)為，“但這并不意味著數(shù)字產(chǎn)品要比目前的模擬產(chǎn)品總體成本低。Intersil有兩種模擬產(chǎn)品，都是非常低端的模擬產(chǎn)品，特點(diǎn)是低功耗，價(jià)格在0.5-1美元之間?！盜ntersil-Zilker Labs的數(shù)字產(chǎn)品一股針對(duì)的不是這類低端模擬應(yīng)用，而是高端電源模塊，如3A、6A、10A和40A。在低端產(chǎn)品上，數(shù)字電源產(chǎn)品要比低端的模擬電源產(chǎn)品貴。

“在瞬態(tài)響應(yīng)、輸出的精度方面，數(shù)字電源和模擬電源還有些差距，”陳宇補(bǔ)充道，原理上，模擬可以做得非常精準(zhǔn)。所以客戶在選擇模擬與數(shù)字時(shí)，需要有個(gè)評(píng)判：更在乎空間小，還是更加精準(zhǔn)，還是成本。

高功率晶體管的發(fā)展趨勢(shì)

英飛凌(Infineon)6月在華首發(fā)了高性能功率晶體管CoolMOS c6，比較注重成本的降低。英飛凌是高功率晶體管的領(lǐng)先廠商、其產(chǎn)品特點(diǎn)具有一定代表性。英飛凌科技奧地利有限公司全球開關(guān)電源高級(jí)市場(chǎng)經(jīng)理ThomasSchmidt介紹了600Vc6的特點(diǎn)。

首先，c6的成本比c3低，成本主要取決于芯片尺寸的大小，CoolMOSc6硅片變得更小，并采取新的封裝技術(shù)來降低成本。在單位封裝方面，以T220封裝為例，其他品牌類似產(chǎn)品的導(dǎo)通電阻大約是380mΩ，而英飛凌c6現(xiàn)在做到最好的是99mΩ。如果競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手為實(shí)現(xiàn)同樣的導(dǎo)通電阻需要應(yīng)用TO-247封裝，成本將會(huì)增加。英飛凌在TO-247封裝方面能做到45mΩ，而其他品牌難以做到這么低。在硅片方面，尺寸和功率往往成正比，如何平衡兩者的關(guān)系?要做到小硅片，英飛凌通過做到降低損耗來達(dá)到平衡。如果損耗跟之前一樣，那是沒有競(jìng)爭(zhēng)力的。

其次，在電源工作頻率方面，英飛凌的MOSFET開關(guān)頻率可以提高到2S0kHz-400kHz。如果用其他品牌的超級(jí)結(jié)結(jié)構(gòu)的MOS，會(huì)產(chǎn)生大的損耗。但如果采用CoolMOS，可以實(shí)現(xiàn)頻率超過2sokHz。當(dāng)然開關(guān)頻率越高，損耗越高，例如超過450kHz以上，就要采用零電流、零電壓等軟開關(guān)架構(gòu)，英飛凌的方法是配合二極管去實(shí)現(xiàn)。

英飛凌的c6主要替代c3，特點(diǎn)是成本更低。英飛凌沒有C4系列，因?yàn)?在中文里有不好的寓意；英飛凌把其c5系列實(shí)際命名為CP。CP的開關(guān)損耗是最低的，所以c6不能代替CP，CP更適合在更高效的電源產(chǎn)品中。

提高開關(guān)頻率的方法探討

在實(shí)現(xiàn)過程中，是否不再需要采用諧振的電源架構(gòu)?Thomas認(rèn)為，準(zhǔn)諧振要求不能太高，如果是二三百瓦就不推薦了。當(dāng)輸出功率越高，電流就越大，導(dǎo)通損耗則越高。如果沒有一個(gè)低導(dǎo)通電阻的MOs，導(dǎo)通損耗會(huì)很大。由于CoolMOS的導(dǎo)通電阻較低，可以降低導(dǎo)通損耗。另外，CoolMOS里面的輸出電容很低，該參數(shù)是影響開關(guān)損耗最大的因素。如果輸出電容量低，累計(jì)損耗就低。采用諧振的設(shè)計(jì)，也需要通過對(duì)輸出電容進(jìn)行通電放電，也會(huì)產(chǎn)生一定的損

耗。因此，如果是用傳統(tǒng)的MOs進(jìn)行設(shè)計(jì)，損耗會(huì)很高。

輸出電容對(duì)電路本身有影響，那么輸出電容降低后是否對(duì)線路性能也有影響?Thomas說，將輸出電容降低不會(huì)影響電路的性能。但開關(guān)頻率提高，輸出電容會(huì)和PCB(印制電路板)寄生的電感等參數(shù)會(huì)產(chǎn)生諧振，會(huì)產(chǎn)生些尖峰。工程師應(yīng)該關(guān)注這一點(diǎn)。不管提高還是降低，都需要知道寄生參數(shù)的影響。所以，在做PCB布板的時(shí)候，需要了解如何將其優(yōu)化。如果沒有這些配合，不可能把開關(guān)頻率提高。僅僅改變參數(shù)，是不會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生影響的。

而且c6的開關(guān)頻率由用戶自行設(shè)定。MOS的開關(guān)頻率是從PWM來確定的，100kHz、lsokHz或200kHz都可以。

如果頻率到了100kHz以上，那總體損耗是否由開關(guān)損耗來決定?其實(shí)。工程師選多大的開關(guān)頻率去做設(shè)計(jì)主要基于以下幾點(diǎn)：成本、效率和大小。只要將開關(guān)頻率提高，諸如電容等被動(dòng)器件的體積就可以變小。但導(dǎo)通損耗一定會(huì)存在，永遠(yuǎn)是越低越好。對(duì)于功率半導(dǎo)體來說，導(dǎo)通電阻和寄生電容是成反比的，一個(gè)高，另一個(gè)勢(shì)必就低。但我們可以將兩者達(dá)到一個(gè)優(yōu)化點(diǎn)。

英飛凌的方向是在降低導(dǎo)通損耗的同時(shí)又降低開關(guān)損耗。公司提倡的FOM參數(shù)就是體現(xiàn)這個(gè)方向。導(dǎo)通電阻越小的開關(guān)管，由越多的MOs胞元并成。寄生出來的電容也就越多，也就會(huì)增加越多的開關(guān)損耗。這就要工程師在開關(guān)損耗與導(dǎo)通損耗間找個(gè)平衡點(diǎn)。

那么，以開關(guān)損耗為主時(shí)，器件的總體損耗會(huì)高出很多嗎?答案是由于寄生參數(shù)變低，就會(huì)降低其開關(guān)損耗，每一次充電放電的能量損耗和每一個(gè)開關(guān)的損耗都會(huì)降低。但如果將開關(guān)頻率繼續(xù)提高，還是要考慮很多方法去控制其損耗。

電源管理的發(fā)展趨勢(shì)

電子設(shè)備的電源從模擬改成開關(guān)已經(jīng)邁出了一大步，今后只能略微提高一點(diǎn)效率。不過，負(fù)載的用電效率也大有潛力可挖，這些負(fù)載包括各種處理器、存儲(chǔ)器、背光源甚至電動(dòng)馬達(dá)等，電源管理集成電路(PMIC)在此大顯身手。

電源管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了將電源電壓和電流轉(zhuǎn)換成所需電壓和電流的功能，同時(shí)管理這些電壓在相關(guān)負(fù)載上的分配。電源管理系統(tǒng)可以由一些次級(jí)模塊，如降壓轉(zhuǎn)換器、升壓轉(zhuǎn)換器和LDO組成，但是電源管理系統(tǒng)的智能化將其與分立化的解決方案區(qū)分開來。

在絕大多數(shù)情況下。將由PMIC或電源管理單元(PMU)為一個(gè)復(fù)雜的器件供電，如一個(gè)應(yīng)用處理器，為了滿足這個(gè)處理器的各種需求，PMIC將需要某些形式的智能來實(shí)現(xiàn)供電，且無需任何來自于處理器的“幫助”，所需的基本功能之一是按照一個(gè)特定序列提供各種電壓的能力：PMIC的另外一個(gè)重要功能是能夠使處理器轉(zhuǎn)換到低功耗狀態(tài)的能力，從而節(jié)省電池／電源能量，加以迅速喚醒處理器的能力，確保用戶體驗(yàn)質(zhì)量。

在便攜式產(chǎn)品中，PMIC的應(yīng)用尤為突出(圖2)，電源管理市場(chǎng)目前以手機(jī)為主導(dǎo)，占據(jù)了總體有效市場(chǎng)的60％以上。市場(chǎng)調(diào)查公司Venture—Q的研究報(bào)告表明，預(yù)計(jì)2008-2013年全球便攜式設(shè)備數(shù)量的復(fù)合年均增長(zhǎng)率為12％，即從20億部增長(zhǎng)到34億部，這些設(shè)備將推動(dòng)P／MIC的多樣化和性能。

因此，很多模擬芯片在PMIC市場(chǎng)開拓。例如9月底，英國(guó)歐勝(Wolfson)微電子公司宣布推出一款高集成度的電源管理解決方案WM8320，為基于ARM處理器等架構(gòu)的便攜式多媒體設(shè)備提供最大化的處理器性能和更長(zhǎng)的電池壽命，尤其適用于上網(wǎng)本、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)備、智能手機(jī)和數(shù)碼相框等應(yīng)用。

歐勝電源管理工程部總監(jiān)DaveSmith說，對(duì)于系統(tǒng)工程師而言，設(shè)計(jì)出可提供高性能多媒體體驗(yàn)的、更小體積和更高效率的電源管理解決方案是一種挑戰(zhàn)。

WM8320的突出優(yōu)勢(shì)是結(jié)合了歐勝專有的BuckWise穩(wěn)壓器技術(shù)，使其PMIc能夠處理用戶開關(guān)不同的產(chǎn)品功能時(shí)在電源需求方面的切換。Buckwise穩(wěn)壓器技術(shù)提供良好的瞬態(tài)性能，消除經(jīng)常因電源需求的快速變化而導(dǎo)致的供電輸出的擾動(dòng)，而無需添加額外的高值外部元件，或者將處理器速度降低來減少負(fù)載電流。WM8320還可用于那些無系統(tǒng)電池的應(yīng)用中，例如機(jī)頂盒。

“通過使用WM8320，消費(fèi)電子制造商可采用如SMT片式電感等更小的元件來代替昂貴的、分立的大體積繞線電感器?！盌ave說，“因此可極大地節(jié)約成本，也因此可以比前幾代解決方案減少25％以上的占板面積。”

WM8320帶有4個(gè)直流一直流(DC-DC)同步穩(wěn)壓器，分別是兩個(gè)帶有BuckWise技術(shù)的1.2A穩(wěn)壓器和兩個(gè)1.0A穩(wěn)壓器。兩個(gè)1.0A穩(wěn)壓器可以組合在一起生成一個(gè)聯(lián)合1.6A輸出，以支持大容量存儲(chǔ)體，或者為提高效率而用來預(yù)調(diào)節(jié)任何內(nèi)置于WM8320的10個(gè)LDO。

這種增強(qiáng)的瞬態(tài)功能還可以降低功率，使處理器能夠運(yùn)行在更低的電壓上，提高功率效率。系統(tǒng)設(shè)計(jì)師們可以選擇將處理器功耗減少最多達(dá)25％，超過了之前幾代穩(wěn)壓器，或者將處理器速度提高最多達(dá)25％。因此，如智能電話設(shè)計(jì)師可以幫助用戶實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)時(shí)間的多任務(wù)應(yīng)用，同時(shí)保證高質(zhì)游戲、音樂播放和視頻分辨率不受影響。

已申請(qǐng)專利的EEPROM接口技術(shù)將設(shè)計(jì)過程的靈活性實(shí)現(xiàn)了最大化，允許產(chǎn)品設(shè)計(jì)師根據(jù)需要對(duì)PMIC的“一次性可編程”存儲(chǔ)進(jìn)行任意次覆蓋和改寫，同時(shí)在啟動(dòng)順序和電壓電平方面完善其設(shè)計(jì)。由于產(chǎn)品開發(fā)和移植的需要可以很方便地滿足，使WM8320和wM83xx系列成為一項(xiàng)不會(huì)過時(shí)的選擇。

2011年電源類半導(dǎo)體市場(chǎng)達(dá)250億美元

據(jù)Gartner在2009年s月的報(bào)告指出，2008年僅便攜式設(shè)備中的電源類半導(dǎo)體產(chǎn)品年收入超過了140億美元，數(shù)量達(dá)260億塊以上，約占總的模擬芯片年收入的40％。到2011年，電源類半導(dǎo)體產(chǎn)品將是一個(gè)250億美元的龐大市場(chǎng)，其中分立電源元件將占據(jù)該市場(chǎng)的50％，電源管理芯片是一個(gè)60億美元的市場(chǎng)。另外的60億美元被其他分立和集成穩(wěn)壓器占據(jù)(圖3)。

可見，電源設(shè)計(jì)在電子產(chǎn)品中的設(shè)計(jì)將舉足輕重。對(duì)于系統(tǒng)工程師而言，設(shè)計(jì)出可提供高性能、更小體積和更高效率的電源解決方案是一種重要挑戰(zhàn)。