在提高功率密度的需求下，用于工業(yè)的電源模塊不僅向著低電壓大電流的方向不懈努力，而且體積也從1/4磚、1/8磚、到1/16磚不斷縮小著；與此同時(shí)，便攜設(shè)備配套的電源部分在pcb板上占據(jù)的“地盤”也被擠得越來越小。
為了滿足設(shè)備對電源提出的持續(xù)縮小尺寸、降低成本等苛刻要求，電源芯片廠商正嘗試把線性穩(wěn)壓器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、PWM控制器、LDO和充電IC等不同元件集成到單個(gè)器件上，以提供完整的電源解決方案。很明顯可以發(fā)現(xiàn)：功率集成技術(shù)越來越簡化了電源的結(jié)構(gòu)。
功率器件被廣泛的集成
在AC/DC轉(zhuǎn)換器中集成PFC或PWM，能有效減少電網(wǎng)污染并提高轉(zhuǎn)換效率，這已經(jīng)得到廣泛普及。此外，很多功率器件，如MOSFET、二極管等也與PWM控制器等一起，被集成在單一芯片內(nèi)，從此在PCB上“消失”。目前不僅一些國外半導(dǎo)體廠商有此類產(chǎn)品，很多本土廠商也陸續(xù)推出很多產(chǎn)品，在此不再贅述。
多個(gè)LDO與DC/DC集成
通過多個(gè)LDO與DC/DC的集成，單一芯片可為設(shè)備輸出多路電壓，滿足產(chǎn)品中不同部件的不同電壓需求。并且，在輕載的時(shí)候LDO代替DC/DC轉(zhuǎn)換器工作，有利于實(shí)現(xiàn)更小的噪音以及更高的效率。例如在美國國家半導(dǎo)體(NSC)的PowerWise能源管理單元的系列產(chǎn)品中，就把LDO、升壓/降壓功能或MOSFET集成在DC/DC內(nèi)。NSC亞太區(qū)便攜式設(shè)備電源管產(chǎn)市場經(jīng)理羅振輝介紹，“我們的LP3971產(chǎn)品中內(nèi)置了3個(gè)高效率的1600mA可設(shè)定降壓轉(zhuǎn)換器及6個(gè)可設(shè)定的LDO穩(wěn)壓器，因此可以滿足像英特爾XScale處理器等單片機(jī)系統(tǒng)的嚴(yán)格供電要求。”
此外，TI也有款電源管理產(chǎn)品TPS65020集成了三個(gè)具備集成FET的同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器、三個(gè)線性穩(wěn)壓器以及一個(gè)I2C通信接口，可實(shí)現(xiàn)全面的可編程性與內(nèi)核電壓的動(dòng)態(tài)電壓縮放。該器件可用于包括智能電話、PDA、數(shù)碼相機(jī)以及便攜式音頻與媒體播放器等。該器件的開關(guān)頻率為1.5MHz，使設(shè)計(jì)人員能夠采用諸如2.2μH電感器等小型外部組件，從而顯著節(jié)省板級(jí)空間。
除了集成多個(gè)DC/DC和可編程穩(wěn)壓器外，意法半導(dǎo)體還把一個(gè)完整的USB-OTG塊和主流的存儲(chǔ)卡接口，以及處理器電源監(jiān)控和復(fù)位監(jiān)控組件集成到STw4810。其中一個(gè)獨(dú)立的DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器在600mA下為處理器內(nèi)核提供1V到1.5V電壓，另一個(gè)為I/O功能和通用功能提供1.8V的電壓。三個(gè)LDO可編程穩(wěn)壓器給輔助設(shè)備和外設(shè)接口供電。USB OTG標(biāo)準(zhǔn)解決了市場對便攜設(shè)備如手機(jī)、相機(jī)、PDA和MP3播放器之間無需連接主機(jī)即可在低功耗條件下互相通信的要求。
更多安全功能的集成
為了預(yù)防難以預(yù)測、具有潛在危害的瞬態(tài)電源尖峰和過熱環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)系統(tǒng)保護(hù)能力，一些標(biāo)準(zhǔn)功能，如外部保護(hù)，可被集成進(jìn)IC里。比倒裝芯片的封裝還要薄的NCP1526厚度僅為0.55mm，是安森美一款采用UDFN封裝的集成轉(zhuǎn)換器，它不僅集成了低噪聲LDO，高頻振蕩器，而且把軟啟動(dòng)、逐周期電流限制和熱關(guān)機(jī)保護(hù)等增值特性也集成了進(jìn)去。尤其適合PMP、MP3播放器、手機(jī)數(shù)字多媒體廣播或手持終端數(shù)字視頻廣播芯片組等多媒體便攜式設(shè)備的應(yīng)用微處理器供電。
通過把熱插拔控制器和基于12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)集成進(jìn)數(shù)字電源監(jiān)視器，美國模擬器件公司(ADI)的ADM1175-8系列，能夠有效地測量和管理刀片式PC和電信系統(tǒng)中的功耗。其中熱插拔控制器可以保護(hù)板卡免受電源和過熱的瞬態(tài)沖擊，并且允許板卡從2.7至14V供電的背板在工作期間安全地插入和拔出；數(shù)字電源監(jiān)視器可以測量每個(gè)板卡的電源使用狀況并且通過數(shù)字接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給片外控制器。高度集成后，元器件成本比分立解決方案減少了33%，并把通常僅每秒100次采樣提高到每秒10,000次采樣。
未來必定還有更廣的集成組合
竭盡妙招解決集成負(fù)面影響
集成可以提升電源性能。集成之后的電源變成一個(gè)密封的塊，電源連線之間的電感、電磁干擾等大大減少。“更多的集成意味著外部更少的元件數(shù)量，對工程師來說，減少外部元件的變數(shù)，能帶來更高的可靠性，并簡化其設(shè)計(jì)。”安森美半導(dǎo)體亞太區(qū)電源管理產(chǎn)品經(jīng)理蔣家亮認(rèn)為，“不過由于IC電路的復(fù)雜度提高，有可能會(huì)產(chǎn)生寄生元素。對于這個(gè)弊端，我們一般通過關(guān)閉電敏感器件或用消隱功能來解決。”由于在設(shè)計(jì)芯片的時(shí)候，考慮了市場和客戶的需要，故設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品能針對客戶所需，如驅(qū)動(dòng)能力高、EMI抖動(dòng)效果好、高能效、過壓保護(hù)、低待機(jī)能耗、簡化電路設(shè)計(jì)等等，他補(bǔ)充道。
電子產(chǎn)品越做小，這導(dǎo)致大量的熱集中在較小的范圍，容易引起溫度過高，引發(fā)散熱難題。蔣家亮建議設(shè)計(jì)工程師通過良好的PCB布局來解決散熱難題；或者采用表面貼裝(如QFN)器件來代替直插穿孔器件。此外，NSC有一些新開發(fā)的電源產(chǎn)品帶有熱能調(diào)節(jié)功能，以LP3971為例，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師只要采用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)，供電系統(tǒng)便可根據(jù)處理器的工作量及時(shí)鐘頻率調(diào)節(jié)輸出電壓，幫助系統(tǒng)進(jìn)一步降低功耗。
對于IC供應(yīng)商來說，使更多功能集成在芯片上，也是抵抗價(jià)格不斷下降的一種方式，以在激烈的競爭中保持優(yōu)勢。“不過在模擬IC設(shè)計(jì)中，集成化進(jìn)度稍微慢一點(diǎn)，這歸結(jié)于需要使用大量的被動(dòng)器件，譬如電感和電容。”Micrel公司電源產(chǎn)品市場總監(jiān)Ralf Muenster指出，“例如在模擬電源管理中，一種典型的集成方式是將幾個(gè)線性穩(wěn)壓器整合進(jìn)單一的電源管理IC中。由于IC封裝所能消散的最大熱量有限，所以一定程度上限制了集成。由于線性穩(wěn)壓器的效率就是輸出電壓與輸入電壓的比率，這是很大一個(gè)限制。”
深耕芯片級(jí)之外，半導(dǎo)體廠商嘗試電源模塊領(lǐng)域
“電源設(shè)計(jì)的未來趨向是更輕巧，設(shè)計(jì)師不想再要一些外圍的元器件，只希望用一顆電源管理IC便能大功告成。”蔣家亮指出，“我們預(yù)計(jì)對集成化電源管理芯片有大量市場需求的應(yīng)用將包括機(jī)頂盒、DVD、筆記本電腦適配器、ATX、LCD電視顯示器電源、打印機(jī)電源等。DC/DC穩(wěn)壓器會(huì)是安森美一個(gè)集成發(fā)展的方向，以滿足高功率密度、低能耗及高能效的要求。”
不僅局限于芯片級(jí)，由于高集成電源管理產(chǎn)品本身也是由不同的電源模塊組成，一些沒有體積限制的電子產(chǎn)品的制造商也會(huì)選擇電源模塊以增加設(shè)計(jì)的靈活性。相比于模塊電源廠商，半導(dǎo)體廠商的微型電源模塊往往體積更小。目前許多半導(dǎo)體廠商表示，未來電源模塊與高集成電源管理方案將一同發(fā)展。TI、凌力爾特、IR等半導(dǎo)體公司也都推出了自己的微型模塊化產(chǎn)品。羅振輝也透露，“NSC未來將同時(shí)開發(fā)不同的高集成度電源管理方案及電源模塊，以滿足不同客戶的需求。”
事實(shí)上，并不只是沒有資源或不具備技術(shù)專長的公司開始青睞集成程度高的電源管理芯片。“其實(shí)對我們來說，公司有足夠的開發(fā)資源。但確定合適的DC/DC控制器IC、MOSFET、電感器、電容器、電阻器和二極管等都需要花費(fèi)時(shí)間，而且后期還得再進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)試。”某電子公司電源工程師表示，“考慮到快速上市的壓力以及有限的PCB面積，我們還是選擇了凌力爾特這款10A降壓型DC/DC——μModule LTM4600。這款芯片內(nèi)置電感器、MOSFET、DC/DC控制器、補(bǔ)償電路和輸入輸出旁路電容，使我們投入在這方面的設(shè)計(jì)力量大為減少，而且PCB變得非常簡潔。值得一提的是，它還可以并聯(lián)使用從而把負(fù)載電流能力提高到20A。”目前μModule系列又新了5款產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用在航空電子、工業(yè)、醫(yī)療、電信、刀片服務(wù)器、測試/測量等領(lǐng)域。
為了滿足設(shè)備對電源提出的持續(xù)縮小尺寸、降低成本等苛刻要求，電源芯片廠商正嘗試把線性穩(wěn)壓器、DC/DC轉(zhuǎn)換器、PWM控制器、LDO和充電IC等不同元件集成到單個(gè)器件上，以提供完整的電源解決方案。很明顯可以發(fā)現(xiàn)：功率集成技術(shù)越來越簡化了電源的結(jié)構(gòu)。
功率器件被廣泛的集成
在AC/DC轉(zhuǎn)換器中集成PFC或PWM，能有效減少電網(wǎng)污染并提高轉(zhuǎn)換效率，這已經(jīng)得到廣泛普及。此外，很多功率器件，如MOSFET、二極管等也與PWM控制器等一起，被集成在單一芯片內(nèi)，從此在PCB上“消失”。目前不僅一些國外半導(dǎo)體廠商有此類產(chǎn)品，很多本土廠商也陸續(xù)推出很多產(chǎn)品，在此不再贅述。
多個(gè)LDO與DC/DC集成
通過多個(gè)LDO與DC/DC的集成，單一芯片可為設(shè)備輸出多路電壓，滿足產(chǎn)品中不同部件的不同電壓需求。并且，在輕載的時(shí)候LDO代替DC/DC轉(zhuǎn)換器工作，有利于實(shí)現(xiàn)更小的噪音以及更高的效率。例如在美國國家半導(dǎo)體(NSC)的PowerWise能源管理單元的系列產(chǎn)品中，就把LDO、升壓/降壓功能或MOSFET集成在DC/DC內(nèi)。NSC亞太區(qū)便攜式設(shè)備電源管產(chǎn)市場經(jīng)理羅振輝介紹，“我們的LP3971產(chǎn)品中內(nèi)置了3個(gè)高效率的1600mA可設(shè)定降壓轉(zhuǎn)換器及6個(gè)可設(shè)定的LDO穩(wěn)壓器，因此可以滿足像英特爾XScale處理器等單片機(jī)系統(tǒng)的嚴(yán)格供電要求。”
此外，TI也有款電源管理產(chǎn)品TPS65020集成了三個(gè)具備集成FET的同步降壓DC/DC轉(zhuǎn)換器、三個(gè)線性穩(wěn)壓器以及一個(gè)I2C通信接口，可實(shí)現(xiàn)全面的可編程性與內(nèi)核電壓的動(dòng)態(tài)電壓縮放。該器件可用于包括智能電話、PDA、數(shù)碼相機(jī)以及便攜式音頻與媒體播放器等。該器件的開關(guān)頻率為1.5MHz，使設(shè)計(jì)人員能夠采用諸如2.2μH電感器等小型外部組件，從而顯著節(jié)省板級(jí)空間。
除了集成多個(gè)DC/DC和可編程穩(wěn)壓器外，意法半導(dǎo)體還把一個(gè)完整的USB-OTG塊和主流的存儲(chǔ)卡接口，以及處理器電源監(jiān)控和復(fù)位監(jiān)控組件集成到STw4810。其中一個(gè)獨(dú)立的DC/DC降壓轉(zhuǎn)換器在600mA下為處理器內(nèi)核提供1V到1.5V電壓，另一個(gè)為I/O功能和通用功能提供1.8V的電壓。三個(gè)LDO可編程穩(wěn)壓器給輔助設(shè)備和外設(shè)接口供電。USB OTG標(biāo)準(zhǔn)解決了市場對便攜設(shè)備如手機(jī)、相機(jī)、PDA和MP3播放器之間無需連接主機(jī)即可在低功耗條件下互相通信的要求。
更多安全功能的集成
為了預(yù)防難以預(yù)測、具有潛在危害的瞬態(tài)電源尖峰和過熱環(huán)境的風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)系統(tǒng)保護(hù)能力，一些標(biāo)準(zhǔn)功能，如外部保護(hù)，可被集成進(jìn)IC里。比倒裝芯片的封裝還要薄的NCP1526厚度僅為0.55mm，是安森美一款采用UDFN封裝的集成轉(zhuǎn)換器，它不僅集成了低噪聲LDO，高頻振蕩器，而且把軟啟動(dòng)、逐周期電流限制和熱關(guān)機(jī)保護(hù)等增值特性也集成了進(jìn)去。尤其適合PMP、MP3播放器、手機(jī)數(shù)字多媒體廣播或手持終端數(shù)字視頻廣播芯片組等多媒體便攜式設(shè)備的應(yīng)用微處理器供電。
通過把熱插拔控制器和基于12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)集成進(jìn)數(shù)字電源監(jiān)視器，美國模擬器件公司(ADI)的ADM1175-8系列，能夠有效地測量和管理刀片式PC和電信系統(tǒng)中的功耗。其中熱插拔控制器可以保護(hù)板卡免受電源和過熱的瞬態(tài)沖擊，并且允許板卡從2.7至14V供電的背板在工作期間安全地插入和拔出；數(shù)字電源監(jiān)視器可以測量每個(gè)板卡的電源使用狀況并且通過數(shù)字接口將數(shù)據(jù)發(fā)送給片外控制器。高度集成后，元器件成本比分立解決方案減少了33%，并把通常僅每秒100次采樣提高到每秒10,000次采樣。
未來必定還有更廣的集成組合
竭盡妙招解決集成負(fù)面影響
集成可以提升電源性能。集成之后的電源變成一個(gè)密封的塊，電源連線之間的電感、電磁干擾等大大減少。“更多的集成意味著外部更少的元件數(shù)量，對工程師來說，減少外部元件的變數(shù)，能帶來更高的可靠性，并簡化其設(shè)計(jì)。”安森美半導(dǎo)體亞太區(qū)電源管理產(chǎn)品經(jīng)理蔣家亮認(rèn)為，“不過由于IC電路的復(fù)雜度提高，有可能會(huì)產(chǎn)生寄生元素。對于這個(gè)弊端，我們一般通過關(guān)閉電敏感器件或用消隱功能來解決。”由于在設(shè)計(jì)芯片的時(shí)候，考慮了市場和客戶的需要，故設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品能針對客戶所需，如驅(qū)動(dòng)能力高、EMI抖動(dòng)效果好、高能效、過壓保護(hù)、低待機(jī)能耗、簡化電路設(shè)計(jì)等等，他補(bǔ)充道。
電子產(chǎn)品越做小，這導(dǎo)致大量的熱集中在較小的范圍，容易引起溫度過高，引發(fā)散熱難題。蔣家亮建議設(shè)計(jì)工程師通過良好的PCB布局來解決散熱難題；或者采用表面貼裝(如QFN)器件來代替直插穿孔器件。此外，NSC有一些新開發(fā)的電源產(chǎn)品帶有熱能調(diào)節(jié)功能，以LP3971為例，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師只要采用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)，供電系統(tǒng)便可根據(jù)處理器的工作量及時(shí)鐘頻率調(diào)節(jié)輸出電壓，幫助系統(tǒng)進(jìn)一步降低功耗。
對于IC供應(yīng)商來說，使更多功能集成在芯片上，也是抵抗價(jià)格不斷下降的一種方式，以在激烈的競爭中保持優(yōu)勢。“不過在模擬IC設(shè)計(jì)中，集成化進(jìn)度稍微慢一點(diǎn)，這歸結(jié)于需要使用大量的被動(dòng)器件，譬如電感和電容。”Micrel公司電源產(chǎn)品市場總監(jiān)Ralf Muenster指出，“例如在模擬電源管理中，一種典型的集成方式是將幾個(gè)線性穩(wěn)壓器整合進(jìn)單一的電源管理IC中。由于IC封裝所能消散的最大熱量有限，所以一定程度上限制了集成。由于線性穩(wěn)壓器的效率就是輸出電壓與輸入電壓的比率，這是很大一個(gè)限制。”
深耕芯片級(jí)之外，半導(dǎo)體廠商嘗試電源模塊領(lǐng)域
“電源設(shè)計(jì)的未來趨向是更輕巧，設(shè)計(jì)師不想再要一些外圍的元器件，只希望用一顆電源管理IC便能大功告成。”蔣家亮指出，“我們預(yù)計(jì)對集成化電源管理芯片有大量市場需求的應(yīng)用將包括機(jī)頂盒、DVD、筆記本電腦適配器、ATX、LCD電視顯示器電源、打印機(jī)電源等。DC/DC穩(wěn)壓器會(huì)是安森美一個(gè)集成發(fā)展的方向，以滿足高功率密度、低能耗及高能效的要求。”
不僅局限于芯片級(jí)，由于高集成電源管理產(chǎn)品本身也是由不同的電源模塊組成，一些沒有體積限制的電子產(chǎn)品的制造商也會(huì)選擇電源模塊以增加設(shè)計(jì)的靈活性。相比于模塊電源廠商，半導(dǎo)體廠商的微型電源模塊往往體積更小。目前許多半導(dǎo)體廠商表示，未來電源模塊與高集成電源管理方案將一同發(fā)展。TI、凌力爾特、IR等半導(dǎo)體公司也都推出了自己的微型模塊化產(chǎn)品。羅振輝也透露，“NSC未來將同時(shí)開發(fā)不同的高集成度電源管理方案及電源模塊，以滿足不同客戶的需求。”
事實(shí)上，并不只是沒有資源或不具備技術(shù)專長的公司開始青睞集成程度高的電源管理芯片。“其實(shí)對我們來說，公司有足夠的開發(fā)資源。但確定合適的DC/DC控制器IC、MOSFET、電感器、電容器、電阻器和二極管等都需要花費(fèi)時(shí)間，而且后期還得再進(jìn)行復(fù)雜的調(diào)試。”某電子公司電源工程師表示，“考慮到快速上市的壓力以及有限的PCB面積，我們還是選擇了凌力爾特這款10A降壓型DC/DC——μModule LTM4600。這款芯片內(nèi)置電感器、MOSFET、DC/DC控制器、補(bǔ)償電路和輸入輸出旁路電容，使我們投入在這方面的設(shè)計(jì)力量大為減少，而且PCB變得非常簡潔。值得一提的是，它還可以并聯(lián)使用從而把負(fù)載電流能力提高到20A。”目前μModule系列又新了5款產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用在航空電子、工業(yè)、醫(yī)療、電信、刀片服務(wù)器、測試/測量等領(lǐng)域。
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編輯：Sepnova
來源：電子查詢網(wǎng)
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本文鏈接：全球應(yīng)用電源管理市場呈迅猛增長勢頭
http:m.mangadaku.com/news/2006-12/2006121311636.html
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