電源及電源管理領域的幾個創新

王 瑩

摘要：2011年，電源類半導體產品將是一個250億美元的龐大市場。本文介紹數字電源、功率器件與電源管理的部分發展趨勢，及典型企業Intersil、英飛凌與Wolfson的產品動向。

關鍵詞：數字電源；電源管理；電源模塊；Intersil；英飛凌；Wolfson

如今，低碳經濟成為全球時髦之詞，我國是世界碳排放第二大國，電源輸出效率的提高和有效管理，成為了節能環保的重要環節之一。電源的哪些領域是增長熱點?

數字電源增長可期

數字電源十年前發展起來，目前頗引人關注。據iSupplit分析，過去五年來，數字電源技術一直處于電源市場的中心，未來五年數字電源市場的年復合增長率(CAGR)為45.3％。2008年來，發生了幾次重要收購，英飛凌收購了Primarion公司，Intersil收購了Zilker Labs，TI收購Ciclon公司，Exar收購了FyreStorm的知識產權。

2008年剛剛收購專業數字電源廠商zilker Labs的latersil對數字電源的發展非常樂觀：“我相信數字電源總有一天會取代模擬電源。不過。這將是一個很漫長的過程。因為這里涉及到很多因素，包括成本，還有所有模擬電源的性能是不是數字電源全部能夠做到，使得最后模擬電源無法跟數字電源比擬。”Intersil公司中國區總經理陳宇說。

電源領域現在受到了很多不同于傳統的挑戰，其中最重要的幾個方面有：

·在高密度的應用上所面臨的散熱和占板空間的挑戰，例如在多電壓域或寬負載范圍內仍要保持高效、快速的瞬態響應，墻上電源有限等問題。

·復雜的電源管理需求。現在的工程師在設計時，會大量采用DSP、ASIC、FPGA等，這就對電源管理提出了排序要求、上升沿控制要求和系統可靠性的要求等等。

·系統可靠性的關注。

數字電源可謂解決這些問題的一個很好的途徑。

一個芯片，多種方案

今天，有兩種形式的數字電源主導市場：

·數字電源管理器(DPM)，使用數字信息來管理電源系統及其中電源的整體運作；

·電源數字控制器(DCP)，使用數字技術來控制電源單元內部的功率開關功能。目前DCP已經成為了主導技術。

例如，Intersfl-ZilkerLabs提供了一個智能化的數字電源管理解決方案，產品很有特點體現在：首先，可以在負載很寬的范圍內提供高達90％的工作效率；其次，解決方案非常靈活。可為客戶提供了一個完全數字化的電路，客戶可以根據自己的需求在芯片內部做配置，Intersil-zilker Labs也可以根據客戶的要求在生產芯片的時候就為客戶完成這個配置；最后，產品具有高集成度(如圖1)。

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

數字電源解決方案的另外一個優勢是設計簡單：同一塊IC可以適合很多不同的應用，從3A到40A，只需要把輸出端的MOSFET和電感電容調整好就行。所以當工程師做出一套解決方案之后，可以很容易地擴展到其他規格要求的解決方案上。所以可實現“一個產品設計，多套解決方案”的目標，可以大幅縮短產品開發時間。

數字電源目前適合高端應用

iSuppli認為，數字電源增長最快的領域將是高端服務器、數據通信和電信市場，預計筆記本電腦和顯示卡等低端計算市場將隨后加快增長。

“盡管數字電源能夠為客戶減少元件的數量，因此整體的成本會更便宜，”Intersil亞太區業務副總裁Kent Chon認為，“但這并不意味著數字產品要比目前的模擬產品總體成本低。Intersil有兩種模擬產品，都是非常低端的模擬產品，特點是低功耗，價格在0.5-1美元之間。”Intersil-Zilker Labs的數字產品一股針對的不是這類低端模擬應用，而是高端電源模塊，如3A、6A、10A和40A。在低端產品上，數字電源產品要比低端的模擬電源產品貴。

“在瞬態響應、輸出的精度方面，數字電源和模擬電源還有些差距，”陳宇補充道，原理上，模擬可以做得非常精準。所以客戶在選擇模擬與數字時，需要有個評判：更在乎空間小，還是更加精準，還是成本。

高功率晶體管的發展趨勢

英飛凌(Infineon)6月在華首發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先廠商、其產品特點具有一定代表性。英飛凌科技奧地利有限公司全球開關電源高級市場經理ThomasSchmidt介紹了600Vc6的特點。

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，其他品牌類似產品的導通電阻大約是380mΩ，而英飛凌c6現在做到最好的是99mΩ。如果競爭對手為實現同樣的導通電阻需要應用TO-247封裝，成本將會增加。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，如何平衡兩者的關系?要做到小硅片，英飛凌通過做到降低損耗來達到平衡。如果損耗跟之前一樣，那是沒有競爭力的。

其次，在電源工作頻率方面，英飛凌的MOSFET開關頻率可以提高到2S0kHz-400kHz。如果用其他品牌的超級結結構的MOS，會產生大的損耗。但如果采用CoolMOS，可以實現頻率超過2sokHz。當然開關頻率越高，損耗越高，例如超過450kHz以上，就要采用零電流、零電壓等軟開關架構，英飛凌的方法是配合二極管去實現。

英飛凌的c6主要替代c3，特點是成本更低。英飛凌沒有C4系列，因為4在中文里有不好的寓意；英飛凌把其c5系列實際命名為CP。CP的開關損耗是最低的，所以c6不能代替CP，CP更適合在更高效的電源產品中。

提高開關頻率的方法探討

在實現過程中，是否不再需要采用諧振的電源架構?Thomas認為，準諧振要求不能太高，如果是二三百瓦就不推薦了。當輸出功率越高，電流就越大，導通損耗則越高。如果沒有一個低導通電阻的MOs，導通損耗會很大。由于CoolMOS的導通電阻較低，可以降低導通損耗。另外，CoolMOS里面的輸出電容很低，該參數是影響開關損耗最大的因素。如果輸出電容量低，累計損耗就低。采用諧振的設計，也需要通過對輸出電容進行通電放電，也會產生一定的損

耗。因此，如果是用傳統的MOs進行設計，損耗會很高。

輸出電容對電路本身有影響，那么輸出電容降低后是否對線路性能也有影響?Thomas說，將輸出電容降低不會影響電路的性能。但開關頻率提高，輸出電容會和PCB(印制電路板)寄生的電感等參數會產生諧振，會產生些尖峰。工程師應該關注這一點。不管提高還是降低，都需要知道寄生參數的影響。所以，在做PCB布板的時候，需要了解如何將其優化。如果沒有這些配合，不可能把開關頻率提高。僅僅改變參數，是不會對電路產生影響的。

而且c6的開關頻率由用戶自行設定。MOS的開關頻率是從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損耗來決定?其實。工程師選多大的開關頻率去做設計主要基于以下幾點：成本、效率和大小。只要將開關頻率提高，諸如電容等被動器件的體積就可以變小。但導通損耗一定會存在，永遠是越低越好。對于功率半導體來說，導通電阻和寄生電容是成反比的，一個高，另一個勢必就低。但我們可以將兩者達到一個優化點。

英飛凌的方向是在降低導通損耗的同時又降低開關損耗。公司提倡的FOM參數就是體現這個方向。導通電阻越小的開關管，由越多的MOs胞元并成。寄生出來的電容也就越多，也就會增加越多的開關損耗。這就要工程師在開關損耗與導通損耗間找個平衡點。

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

電源管理的發展趨勢

電子設備的電源從模擬改成開關已經邁出了一大步，今后只能略微提高一點效率。不過，負載的用電效率也大有潛力可挖，這些負載包括各種處理器、存儲器、背光源甚至電動馬達等，電源管理集成電路(PMIC)在此大顯身手。

電源管理系統實現了將電源電壓和電流轉換成所需電壓和電流的功能，同時管理這些電壓在相關負載上的分配。電源管理系統可以由一些次級模塊，如降壓轉換器、升壓轉換器和LDO組成，但是電源管理系統的智能化將其與分立化的解決方案區分開來。

在絕大多數情況下。將由PMIC或電源管理單元(PMU)為一個復雜的器件供電，如一個應用處理器，為了滿足這個處理器的各種需求，PMIC將需要某些形式的智能來實現供電，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特定序列提供各種電壓的能力：PMIC的另外一個重要功能是能夠使處理器轉換到低功耗狀態的能力，從而節省電池／電源能量，加以迅速喚醒處理器的能力，確保用戶體驗質量。

在便攜式產品中，PMIC的應用尤為突出(圖2)，電源管理市場目前以手機為主導，占據了總體有效市場的60％以上。市場調查公司Venture—Q的研究報告表明，預計2008-2013年全球便攜式設備數量的復合年均增長率為12％，即從20億部增長到34億部，這些設備將推動P／MIC的多樣化和性能。

因此，很多模擬芯片在PMIC市場開拓。例如9月底，英國歐勝(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處理器等架構的便攜式多媒體設備提供最大化的處理器性能和更長的電池壽命，尤其適用于上網本、移動互聯網設備、智能手機和數碼相框等應用。

歐勝電源管理工程部總監DaveSmith說，對于系統工程師而言，設計出可提供高性能多媒體體驗的、更小體積和更高效率的電源管理解決方案是一種挑戰。

WM8320的突出優勢是結合了歐勝專有的BuckWise穩壓器技術，使其PMIc能夠處理用戶開關不同的產品功能時在電源需求方面的切換。Buckwise穩壓器技術提供良好的瞬態性能，消除經常因電源需求的快速變化而導致的供電輸出的擾動，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載電流。WM8320還可用于那些無系統電池的應用中，例如機頂盒。

“通過使用WM8320，消費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。”Dave說，“因此可極大地節約成本，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個直流一直流(DC-DC)同步穩壓器，分別是兩個帶有BuckWise技術的1.2A穩壓器和兩個1.0A穩壓器。兩個1.0A穩壓器可以組合在一起生成一個聯合1.6A輸出，以支持大容量存儲體，或者為提高效率而用來預調節任何內置于WM8320的10個LDO。

這種增強的瞬態功能還可以降低功率，使處理器能夠運行在更低的電壓上，提高功率效率。系統設計師們可以選擇將處理器功耗減少最多達25％，超過了之前幾代穩壓器，或者將處理器速度提高最多達25％。因此，如智能電話設計師可以幫助用戶實現更長時間的多任務應用，同時保證高質游戲、音樂播放和視頻分辨率不受影響。

已申請專利的EEPROM接口技術將設計過程的靈活性實現了最大化，允許產品設計師根據需要對PMIC的“一次性可編程”存儲進行任意次覆蓋和改寫，同時在啟動順序和電壓電平方面完善其設計。由于產品開發和移植的需要可以很方便地滿足，使WM8320和wM83xx系列成為一項不會過時的選擇。

2011年電源類半導體市場達250億美元

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

可見，電源設計在電子產品中的設計將舉足輕重。對于系統工程師而言，設計出可提供高性能、更小體積和更高效率的電源解決方案是一種重要挑戰。