电源管理:半导体市场中跳动的音符

上网时间: 2003年06月28日? 作者:肖平? 我来评论 【字号: ? ?小】

关键字:电源管理? 通信与网络? 计算机与消费电子?

作为电子产品中必不可少的器件之一,电源管理器件与整个电子工业的发展休戚相关。通信与网络、计算机与消费电子、工业与汽车电子等诸多产品领域的需求增长带动了电源管理市场的强劲增长。据iSuppli公司最新的报告预计,除射频晶体管外,2003年的电源管理市场将达到149亿美元,与2002年的135亿美元相比增加了10.3%。这也是自2001年以来,该市场重新恢复两位数的增长。

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iSuppli的报告还体现了这样一种趋势,即电源管理器件市场的增长速度比终端市场的成长速度要快。例如该公司预计2003年,终端设备市场收入将增长4.8%,随后几年的平均增长率约为6%;相比之下,电源管理器件市场在今后几年的平均增长率都将超过10%。这主要是因为,随着终端产品对电源供应的要求越来越复杂,各种类型的电压调整器被大量使用,使得电源管理器件的发货量远远高于终端设备的发货量。

我们也注意到,中国电源市场在全球市场中的地位正呈上升的态势。IMS高级分析师Matthew Towers说:“对各种电源管理器件和子系统供应商而言,中国大陆在多年的发展后已成为一个越来越重要的市场。”根据该公司的数据显示,2002年中国大陆市场在全球电源市场中所占的比例已经达到12%,并将在今后几年内保持年均13%的速度增长。

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正如德州仪器(TI)负责电源管理产品市场的开发经理Mike Caruso所说的那样,电源管理和电源控制IC 市场仍然是整个半导体产业中最为活跃的领域之一。这是因为功耗与成本问题始终是人们最为关注的焦点,也是元器件供应商和终端设备制造商在产品开发阶段经常面临的技术挑战。因此,降低电子产品的功耗这一广泛需求,将推动电源管理器件市场的稳步发展。

下面,我们将从应用领域出发,分便携式产品、通信与网络系统、工业与汽车电子三个部分,来洞察电源管理市场最新的发展动向。

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便携式设备:细致入微的电源管理

随着手机、PDA、数码相机和MP3等以电池供电的便携式设备中彩屏、Java游戏、内置CMOS镜头、GPS等功能的日益多样化,电源管理已经成为越来越重要的设计挑战。对此,供应商必须在两个方面取得突破:首先是系统级的高性能电源管理,即在同样的电池容量下,功能的增加不会带来功耗的显著增加。其次需要加快研发更高容量的电池,以延长便携式设备的使用时间。

为得到系统级的高性能电源管理,设备开发商必须了解设备中每一项功能所带来的功耗以及该功能使用的频率。从另一个角度来说,他们需要清楚每一个元器件、甚至是布线与焊点的功耗情况。现在,这种压力已经转移到了器件供应商身上,促使他们在可控制的成本下,积极研发各种高效率、低功耗和小体积封装的电源器件。同时,他们还必须密切注意便携式设备中各种新功能的出现,对电源管理提出的新挑战。种种举措,目的只有一个,那就是细致入微的电源管理。

例如,国家半导体(NSC)从系统的角度出发,提出了AVS(自适应电压调节)的概念。该技术嵌入了一个自适应电源控制器(APC),可决定对供应电源的要求,也可与外部电源供应系统进行通信。该公司称已经研发出AVS测试芯片,测试结果表明基带芯片的功耗得到了显著的降低。

  • 高效率、小封装体积的转换器

    多功能要求成就了LDO、DC/DC转换器和开关调节器的繁荣,还使这些产品成为电源管理市场、乃至整个终端产品市场的风向标。于是,提高这些转换器和调节器的效率已成为当务之急。除了效率外,在提高集成度的同时减少串扰和EMI等问题也是供应商的技术挑战之一。

    “电池供电推动了对有效切换模式的需求。”TI的Caruso说,“因为稍加提高效率就能显著延长操作时间和电池寿命。”TI于不久前曾推出了一个具有集成FET的同步升压型转换器系列TPS6103x。该公司声称这种新型转换器能够提供高达96%的转换效率,并可在输入电源电压低至1.8V的条件下提供高达1A/5V的输出电流。TI还表示,基于PWM控制器的TPS6103x采用了一种节能方式来提高轻负载条件下的效率,还具有20μA的超低静态电流。

    意法半导体(ST)亚太区分立与标准IC分部总监Jerome Roux说:“在电源应用中,‘综合’一词意味着‘效率’。我们可通过两种不同的方法来提高电源效率:一种是保持整体能量转换效率不变,减小电源的体积;对电源本身来说,要达到这一目标十分困难,因为在体积变小的同时效率通常也会降低。另一种方法则是保持体积不变,大幅提高效率。无论采取哪种方法都必须对芯片和封装做出极大改进。”

    为此,意法半导体不久前推出了超薄封装。该公司声称,Stmite封装是一种采用了无铅技术的新型封装,最大的封装厚度仅为1.15mm,引脚是SMA封装的一半,而同时也保证了同样低的热阻抗。

    而国半则宣称将在今年夏季推出Microfil封装技术,并表示充分利用这种新技术可将芯片的封装大幅缩小4-7倍。另外,国半还曾在今年年初推出包含了7个可编程LDO的管理芯片LP3935。该公司称这一系列芯片具有低噪音、开/关控制、低耗电量以及卓越的电源干扰抑制等多个优点,后者尤其可将电源供应之间的相互干扰减至最低。

  • 新的功能提出了新的电源管理需求

    彩屏的出现还要求新的电源管理器件必须能有效的驱动LED。TI的Caruso说:“彩屏应用需要使用背光方案。新型恒定电流的电源管理芯片需要更有效地驱动白色LED,使便携设备能够显示更高质量的彩色图片。”TI此前推出的高频白色LED驱动器TPS61042具有1.8-6V的输入范围,输出电压高达28V,能驱动多达8个白色LED。该公司表示,这一驱动器还允许利用一个外部检测电阻器来设置LED电流。

    国半的LP3933 也是一个光源管理芯片,该芯片除了内含升压稳压器之外,更设有PWM光源控制功能,可以驱动6个白色LED及2组RGB的LED。该公司表示,这一芯片适合应用于蚬壳式或折合式手机。

    另外,随着锂电池迅速地代替了镍镉电池和镍氢电池,需要添加一些电子线路来实现精确的充电和放电,控制和保护、正常使用状态下可变的操作性能,以及预充电,使其既安全又可靠。“锂电池带来了一个新的需求,即精确的‘电量监测’电路。”TI的Caruso说,“由于锂电池的性能随着温度和放电速度的不同会有所变化,因此这种电量监测电路需要高级的算法和技术来预测剩余的时间,从而促进了对更复杂的电路的需求。”

  • 定制化服务满足差异化需求

    除了上述这些技术热点外,电源IC供应商也十分注重服务。“电源IC的另一项特色是客户定制化。例如同为生产数码相机的厂家,但是每家所强调的特色不同,有些客户特别在意干扰,有的客户特别强调省电。”台湾圆创(Aimtron)科技公司总经理陈慧玲说,“为了将这些特色表现到极至,提供电源管理IC的公司必需能依客户的需求,提供大同小异的产品,做好定制化的服务。”立锜(Richtek)公司也认为,电源IC设计公司必须深入了解客户需求,以定制化服务争取订单,并配合完整的工程支持,协助客户进行未来产品的规划。

    例如,圆创在数码相机电源IC 上,采取1.8V低压激活、同时提供升压、降压、回扫、SEPIC等多组电源转换功能、内建开关、内建短路保护等,让客户可依系统需求而做不同的变换。“这些设计都是依据数码相机的特色而量身订做的。”陈慧玲说,“我们还将多组电源需求整合在一颗48脚LQFP封装的芯片上,从而减少了外部元件的使用,因此对于要求高效能、小体积的数码相机业者来说更加具有吸引力。”

通信与网络设备:分布式结构是当然的主流

各种通信与网络技术的不断推陈出新为用户带来了层出不穷的增值业务,也推动着通信与网络系统电源市场的发展。据Darnell Group估计,通信设备电源管理产品的全球销售额将由2003年的44亿美元上升至2008年的58亿美元,复合年均增长率高达5.5%。以发货量计算,估计同期内的复合年均增长率可达11.2%。

在高端通信与网络设备中,分布式电源总线体系结构(DPA)已然成为市场主流,而这一结构还在向其它的应用领域不断渗透。TI的Caruso举例道,如果某个设备的电源总线提供的电压为5V,就可通过第二总线和第三总线,将此电压分配给需要1.8V和1.5V电量的负载,而这些次级总线可通过靠近负载的电源转换器来驱动。Caruso说:“此外,很多设备都需要非常高的电流,通常都达到20A以上,从而推动了对多相控制器以及可减少损耗、提高效率的创新技术的需求。”

“在使用结合隔离式和非隔离式转换器时,需要仔细分析、并清楚理解电源分配上的寄生电阻和电感效应。”SynQor公司亚太区董事总经理赖国炫说,“因此使用一个中间总线结构(IBA)可以降低50%的成本,使转换器更加靠近负载点,从而降低电阻的功率损失。”

在这种变化趋势下,POL(负载点)转换器将得到更加广泛的应用。“作为分布式电源系统体系结构中不可或缺的组成部分,POL转换器给系统设计者带来了诸多好处。它降低了系统元器件的数量,也降低了设备厂商在设计、测试和制造方面的成本投资,同时采用即插即用的方案还能加快产品上市时间。”上海英联电子(Union)科技公司总经理乔宗标说,“因此近几年来,POL市场要比隔离式电源模块市场发展得更快一些,市场容量也在迅速上升。更重要的是,POL正在从电信和网络设备这样的传统应用场合,向各种高性能设备中扩展,同时在采用各种新技术以满足日益发展的高性能集成电路对高功率密度低电压电源的需求。”为此,该公司推出了PowerThumb和StrongThumb两个系列POL转换器。乔宗标称,这些产品具有较宽的输入电压范围,可帮助系统设计者在原型样机阶段防范由于系统主电压可能变动带来的风险。同时,其高效率和小体积有助于改善系统的热管理和PCB的布线密度。

转换器的效率、响应速度和集成度问题也是各半导体公司关注的焦点之一。国际整流器公司(IR)就声称其不久前推出的直流总线转换器芯片组,能在小于1.7平方英寸的电路板上,于20A/150Wout条件下提供96%以上的效率。并称与业界标准的1/4砖设计相比,该芯片组能节省53%的体积。

SynQor公司则推出了专为英特尔公司的Itanium 2处理器设计的转换器模块HyperQor,该产品在标准英特尔电源封装条件下的输出电流为100安。通过采用同步整流技术,该公司对基础布局进行了创新性设计,使该产品在1.5V/87安输出条件下的满负载效率可达87%。 “对今天的高端计算机工作站和服务器来说,电源管理和配送的一个重要方面是对超高速的瞬时要求的响应。”赖国炫说,该转换器在4微秒内可以使输出电压恢复至+1.5%误差范围内,从而能够响应超快速瞬态要求。

  • 功率因子校正的应用在扩展

    功率因子校正(PFC)则是另一个关注的焦点。TI的Caruso说:“PFC原本只是在输出功率超过250W的电源中应用,但近年来也更多的应用到具有更小输出功率的电源中,有些电源的输出功率甚至低于100W,包括笔记本电脑的AC适配器。”因此,广泛的需求将不断推动对PFC芯片的使用。

    中兴通信公司电源产品部针对中大输出功率的应用,采用交错并联的双升压式PFC变换电路进行了开关电源系统的研发。该公司表示,这一技术方案的简化了控制电路,并方便了调试。它也解决在中大功率应用场合,升压式DC/DC转换器中主升压二极管反向恢复电流大,造成主开关管开通损耗加大的问题。同时,通过减小或消除主升压二极管的反向恢复电流,提高了功率因数校正电路的可靠性。

    “随着各运营商对于网络投入产出效益以及网络运行质量的日益重视,他们对通信电源的厂家也提出了很多更新更高的要求。”中兴通信本部事业部电源产品总经理赵燕军说,“提供智能化的系统功能、人性化的人机操作界面以及更高的单位机架功率密度是我们的研发目标。”

工业电子与汽车电子:智能功率发展迅速

工业领域对开关电源(SMPS)的需求也日益高涨。大功率、大电压输入范围、软切换、具有功率因素校正技术和模块化产品都受到大多数厂商的青睐。为此,半导体公司先后推出了各种新型的高密集、低成本的控制器,为开发商设计低成本高性能离线开关电源提供了更多的选择。同时,智能功率模块(IPM)产品的发展也得到了极大的促进。

  • 模块化的开关电源

    在经济低迷时期,设备制造商都在尽力压缩研发成本。因此,他们越来越多的需要供应商提供模块化、电压输入范围广的开关电源,从而为他们的设计选择提供较大的灵活性。

    日本电盛兰达(Densei-Lambda)株式会社于今年年初推出了Genesys电源的GEM系列,其输入交流电压范围为85-265V,大小为1U(44.45mm),输出达600V、200A。该公司称,该系列电源实现了99%的功率因数,可应用于自动测试设备(ATE)、工业及通信产品领域。GEM系列可变电源分1500W和750W两种机型,通过内部回路的模块化实现了机体的紧凑小型。据称,19英寸的架置安装型GEM电源在1U高度内,实现了1500W的功率,比过去同级机型增加了25%的功率。

    同时,开关电源的也具有小型化趋势。比如意法半导体力推的VIPer系列开关电源调节器。该公司的Roux说:“通过将一个优化的高压耐雪崩纵向功率MOSFET和PWM控制器集成在一起,VIPer有助于客户减小电路板占用空间和成本,同时可降低电源在备用状态时的功耗,并带有完善的内建保护电路。”

  • 高集成的IPM

    电源供应商杂IPM方面的发展也比较迅速。系统化的,包含保护和系统控制,甚至滤波、开关电源等多功能的IPM模块在市场上越来越多。

    国际整流器公司此前推出了IRAMS10UPS60 Plug-NDrive系列IPM,可用于电流为10A、功率在400-750W的家用电器和轻工业机器中。“由于具备了便于实现、能缩短产品设计时间并降低系统成本等优点,对需要变速马达的应用来说是个不错的解决方案。”国际整流器公司商业产品部门主管Alberto Guerra表示,更重要的是该IPM能帮助空调、电冰箱和洗衣机这些不同变频应用节省约30%的功耗。

    在更小的封装内集成更高密度的逻辑器件是IPM面临的主要挑战,因为要想将逻辑与功率电路集成在一起,串扰问题似乎不可避免。摩托罗拉半导体另寻了它径,于不久前宣布了命名为SMARTMOS8 MV的技术。该公司表示,这一采用0.25微米工艺的芯片采用了某种物理深沟栅栏的方式,将功率模块与逻辑电路分离开来,从而解决了串扰问题。摩托罗拉声称,其集成的内部功率模块的工作电压可高达90V,而芯片面积却减小50%以上。

    在42V电源系统方面,尽管ABI的最新研究表明42V电源系统将会比原计划延后推出,但供应商们仍在积极进行产品研发。例如,安森美半导体(On Semicondutor)日前发布的NCP1560电压模式PWM控制器就是专门为42V汽车系统、电信电源转换器、高压功率模块及控制驱动同步整流电源转换器而设计的。

作者:肖平


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