无线通信系统呼唤无源和有源器件的集成

上网时间: 2002年09月01日? 作者:鲁思奇? 我来评论 【字号: ? ?小】

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无线通信系统要求无源器件具有更小的占板空间和更强的功能,这使得无源元件供应商面临的压力也与日俱增。为了满足这一需求,无源元件供应商开发出新的蓝牙、射频(RF)及DC/DC转换器模块,将无源和有源元件集成到一个完整的封装中。

通过这种集成,可有效降低产品尺寸、减少成本、增强可靠性。AVX 公司的应用工程经理Ron Demcko称,采用这些模块后,设计者可降低生产成本、提高产品合格率、增加产量并优化电气响应特性。

当然,模块化产品也存在一些不足。这种集成同时也限制了设计灵活性,而且还必须解决静电放电敏感性、散热等技术问题,并要考虑不同材料间不同的介电常数和收缩率。

无源元件集成呼声由来已久,从前几代产品开始,无源元件供应商便努力将封装尺寸降低到0402和0201。当时“无源元件集成”的定义主要针对电容、电阻及阻容阵列。毫无疑问,倒装芯片及芯片级封装(CSP)的出现节省了板上空间。

无源元件集成的下一步则针对滤波及电磁辐射(EMI)抑制器件,这些器件通常在单一封装里集成了电容器和电感器。例如,AVX的馈电电容器结合了电感器和电容器,在单一电路内实现滤波功能。AVX用于RF产品的薄膜谐波低通滤波器也将电容器和电感器集成到单一封装中。

California Micro Devices (CMD)公司则进一步将两个功能,如ESD和EMI滤波元件集成到一个芯片级封装中。该公司的专用集成无源器件主要针对消费类移动产品、个人数字助理(PDA)及无线手机。可满足各种音频、数据口、键盘、LCD及USB应用中不同的EMI滤波及ESD保护要求。CMD推出的CSPEMI306A产品,将30个元件(12个电容器、12个ESD二极管和6个电阻器)集成到单芯片中,以进行数据口和USB口应用中高达±15KV的EMI滤波和ESD保护。该公司称,这一芯片设计用于保护数据口并滤掉其它无用频率。

尽管如此,无线系统制造商,尤其是那些设计蓝牙产品、手机和PDA的公司,还希望元件尺寸能进一步缩小。元件生产商对此倍感压力,他们必须生产出外形尺寸小、功能强大同时成本低的产品。通常的做法是将有源和无源元件一起集成到单芯片或模块中。这一改进的最大好处是节省了占板空间。同时这些高集成度器件也使得设计者得以缩短设计周期、减少元件数、降低购买总成本并增加产品功能。

多数集成模块设计用于蓝牙产品、手机和PDA。它们通常采用低温煅烧陶瓷(LTCC)和薄膜技术,将各种无源元件与半导体集成在一起。村田电子北美公司和Taiyo Yuden公司等推出和改进的蓝牙模块中便采用了这种方法。

村田推出的一种蓝牙模块,在一个表面贴装陶瓷芯片上集成了约60个器件,包括无源元件及IC。采用LTCC技术,将无源元件和相关电路嵌入芯片的基底中,从而不用在印制电路板上安装IC及无源元件、存储器等支持元件和匹配部件。该模块包含了一个功率放大器、低噪音放大器、带通滤波器、不对称变压器、无源器件、开关二极管、闪存及晶振,所占空间仅为14.5×11.9×2.3 mm。这一模块可用于手机、键盘、笔记本电脑、PDA和无线打印机,村田市场部经理Scott Kettke称,它减少了库存采购及运输成本、降低了板上占用空间并使得设计者可集中于其核心功能开发。

Klettke说,尽管核心功能开发的成本很难降低,不过模块化设计的确比离散设计节约一些成本。此外,对于多数并不自行设计生产RF模块的OEM厂商来说,他们无需花费时间精力去研究某种以前不懂的技术。Klettke指出,许多手机生产商主要关注于产品的功能,如是否具有上网功能?是否可以下载视频流?这些才是其核心竞争力,而RF设计则可以交给元件生产商来完成。

Taiyo美国研发中心业务开发董事Mike Tanahashi说,手机的小型化推动了模块的发展。Taiyo推出一种用于手机和PDA等蓝牙无线通信产品的超小型RF模块。这款产品尺寸仅为7×7 ×1.8mm,是业界最小的蓝牙RF模块,它的功率比其它蓝牙模块的1/3还小。该模块已于6月份开始量产。与村田类似,Taiyo也采用了LTCC基底来嵌入电容器、滤波器及电感器,并采用倒装芯片技术来进行半导体的安装。该模块集成了一个Silicon Wave RF芯片组,以提供与蓝牙1.1兼容的二级(最大4dBm)输出。该模块设计了多种工作时钟频率,为设计者提供了极大的灵活性。这使它可使用已有的应用频率而不用改变频率来迎合模块要求。

同时,Taiyo还与无线及工程服务公司Stonestreet One签署了一项授权协议,将蓝牙技术协议堆栈Bluetopia嵌入评估工具套件中,用来测试Taiyo的蓝牙模块。

另一方面,元件巨头Vishay国际公司正忙于解决手机、数字相机、笔记本电脑及其它器件的DC/DC同步转换问题。Vishay声称它的FunctionPAK转换器可在单一BGA/LGA封装中提供完整的电路功能,而该封装尺寸仅为14.7×12.2×1.8mm。通常一个同步DC/DC转换电路需要约20个元件,包括若干无源元件。Vishay这种多芯片模块减少了占板空间,并将效率提高到95%,同时无需外部元件。

Vishay的FunctionPAK模块最近新增了一款10瓦、3安培的DC/DC降压转换器。它将功率密度提高到380瓦/立方英寸,输入电压为2.7V-6V,输出电压为1.8V-3.3V,并带有编程脉冲宽度调制和PSM控制。该转换器工作温度范围为-40℃到85℃。可应用于电池备用电源、相机、无绳电话、PDA和便携式PC。DC/DC转换器通常用于锂电池和镍氢电池等充电电池中。

Vishay的CEO助理兼高级营销副总裁Glyndwr Smith 称,尽管FunctionPAK可以节省占板空间、简化产品开发、加速上市时间并降低元件数、库存及安装成本,但模块集成度并非无线通信中的万金药。

许多元件生产商表示,由于采用模块设计,工程师的设计灵活性受到影响。如果将所有的电路功能集中在一块芯片中,设计者就不容易对电路进行改动或改变芯片组的参数。Smith说:“这成了固定设计。”

AVX的Demcko也指出,模块设计使辐射问题变得困难,如果在离散设计中,只需改变阻值便可做到。

Demcko说,在某种情况下,ESD敏感性也会成为问题,尤其是元件生产商减少部件并将其集成在模块中时。他说:“一旦业界意识到由于静态放电引起损耗有多大时,它将成为头号设计标准。”

Taiyo的Tanahashi认为,他们面临的困难是要处理各种具有不同介电常数的材料和收缩率。

作者:鲁思奇


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