電源SOC：或許好用的“瘋狂”創意

    對于電源管理IC，把包括開關、控制和無源元件在內的整個電源安裝在一塊芯片上，就能促成更高的功率效率，并降低散熱量。尖端的電源拓撲結構、微型磁性元件、更快的開關器件可以共同使單片電源成為現實。

　要點
　　* 微型單片電源能在電子器件中促成更高效的電源管理和更低的散熱量。
　　* 對于兩三兆赫的速度而言，單一封裝即可容納的電源已成為現實。
　　* 磁性元件和開關器件必須不斷進步，來促成電源電路的持續微型化。

　請想象一種手機電池，它能供應無線電力，并仍適合目前的形狀系數。對于目前的便攜電子設備的最大缺點而言，它堪稱完美的解決方案，不是嗎？答案是否定的。即便有這種魔幻般的電池，人們仍面臨功耗問題：在目前的電源管理方案下，手機很快就會變得燙手。關鍵在于有效功率，而非可用功率。在尋找日益高效的電源方案的過程中，浮現出了包含電源轉換、穩壓、管理、無源元件在內的電源SOC（單片電源）概念，它已成為人們渴求的目標。一些電源公司和大學研究人員正在探求這種技術。電源SOC不僅將使手持電子設備受益，還將惠及筆記本電腦（電池壽命會更長）和服務器（能源成本會更低）。在未來若干年，這些電源SOC將對各類電子應用產生吸引力。

　目前帶有外部電感器的DC/DC PMU（電源管理單元）IC已經比幾年前的原有器件小了許多。例如，Analog Devices公司的6 MHz ADP2121轉換器也依靠外部電感器，包括電感器在內的尺寸僅5 mm2。核心作為目前ASIC的一部分日益普及，這推動了一種需求，即進一步縮小電源控制電路，使之進入電源SOC中。例如，一部手機可能有四根或更多天線，其中包括藍牙、CDMA、GSM通信、3G單元，還含有視頻和基帶射頻部分。為了確保功率效率，每顆核心均須快速通斷，否則系統會在未使用的核心上浪費功率。為實現精細的電源控制，每顆核心均需要自己的DC電壓源，其中包括電壓轉換與穩定。但是，四個或更多PMU安裝在一顆多核芯片周圍，會使該芯片相形見絀，即便它們每個的尺寸僅有5 mm2。

　人們也許會考慮在板上裝幾個電源模塊，并用半導體開關來通斷核心和子塊。但是，電源很難在其整個負載范圍（一般是10%至90%）均保持高效。若主電源多數時間都用于低電流負載范圍，那么它的功率效率會較低，產生的系統熱量會更多。

　電源SOC技術缺乏兩種主要部件：高效合算的開關器件、工作于20MHz至100MHz或更高頻率的磁性元件。射頻領域的確存在超高速開關器件，但其開發者通常把外來半導體元件作為其基礎，沒有使用廉價的芯片工藝。設計者也已為射頻領域開發了磁性元件，但其用途一直是輻射功率。電源應用的需求恰好相反——安靜的非輻射器件。另外，磁性元件研究一直比較冷清。只要高速開關器件不能實用，就不會有人需要高速磁性元件。

　為了理解改用20MHz、100MHz或更高開關頻率的重要性，請看看更高的開關速度對目前PMU尺寸的影響（圖1）。在500 kHz，開關磁性元件幾乎是芯片尺寸的兩倍。在目前大約1MHz的開關頻率，PMU的無源元件的尺寸幾乎與電源控制及穩壓電路相當。在6 MHz，芯片尺寸幾乎與磁性元件相同。電容器尺寸的縮小甚至更顯著。電源SOC的支持者們暗示：在20 MHz至100 MHz或更高速度時，無源元件會明顯縮小，可以把它們放在控制電子器件的混合信號晶粒上。

　考克大學丁鐸爾國家研究所電源磁性元件研究人員Cian Mathúna博士預言：包含集成電感器在內的完整電源SOC很快將能安裝于僅為1 mm2的空間中，其中包括PSIP（電源系統級封裝）內的電源控制晶圓上的晶圓級微型電感器。從BOM（材料清單）角度看，PSIP和電源SOC之間幾乎沒有區別：如果拆開PSIP，人們就會看到硅開關器件和控制電路位于一塊IC中，而磁性元件和電容器則位于另外一兩個器件中——所有元件均位于同一封裝中。雖然PSIP器件沒有利用晶圓級裝配更低的成本和更高的可靠性，但它們的確滿足了各種應用對小零件、更低BOM成本、更簡單組裝的需求。包括Vicor、Linear Technology、Enpirion在內的幾家公司已開始采用這種方法。

   例如，Enpirion公司的1 MHz、600 mA EP5368Q集成了一個電感器，安裝在3 mm × 3 mm × 1.1 mm QFN封裝中，并且總尺寸僅為22 mm2，其中包括兩個外部電容器。該公司提供多種可達9 A電流和5 MHz開關速度的器件。Enpirion公司把開關與控制電路和電感器分離開來，并在同一封裝內放置了兩顆晶粒。該公司產品營銷總監Michael Laflin表示，公司可以把電感器裝配在硅晶圓上，或裝配在更傳統的多層螺旋結構中，這取決于應用需求。這些需求包括負載電流、電感、損耗預算、飽和電流等因素。該公司還考慮了以下事實：不同磁性材料在不同頻率表現出不同損耗特征和行為，因此磁性材料在電感器設計領域也有一席之地。Enpirion公司不愿透露其電感器背后的技術，這是因為磁性元件技術是其器件中的“秘笈”。

　今年1月，Enpirion公司在愛爾蘭考克舉行的PwrSOC (Power-SOC)專題討論會上宣讀了一篇論文，詳細介紹了它在可制造性、成品率、可靠性、成本方面接受的教訓（參考文獻1）。這些平淡無奇的決定因素是產品開發取得成功的關鍵，這是因為在電源管理領域，正如Laflin所說，“成本決定一切。”

　愛爾蘭考克大學的丁鐸爾國家研究所是最有經驗的晶圓級磁性元件研究中心之一，它利用其4英寸晶圓加工線來研究開關頻率為10 MHz至100 MHz的電感器（圖2a）。這些電感器使用“跑道式”幾何結構的電鍍銅繞組，后者被封裝在一種薄膜電鍍密封鎳鐵軟磁芯中（參考文獻2）。為了提供參考，丁鐸爾的研究人員用一塊單片MOSFET及驅動器傳動系IC演示了工作于15 MHz至65 MHz的電感器。這種降壓轉換器SMPS（開關式電源）包含轉換器和電感器，在20 MHz時的效率為80%，使用了Coilcraft公司(www.coilcraft.com)的商用貼片電感器，并且輸入電壓為3V，輸出電壓為1.5V，輸出電流為100 mA。當研究人員替換了Tyndall 2.5 mm2微電感器之后，效率降至76%。但請記住：Tyndall電感器不是為該電路設計的，它本是某種生產設計的一部分。Mathúna表示，研究人員可以調整銅損耗和磁芯損耗。他說：“我們把銅繞組電鍍到模具中，厚度為35 m至50 ?m。如果我們增加銅的厚度，我們就能在很大程度上仿真Coilcraft電感器。另外，磁芯材料有自己的內在損耗。在鍍于薄膜的磁性材料中，電阻系數將會很低，即這些材料將會具有很強的導電能力。例如，某種鎳鐵材料的電阻系數約為45 Ωcm。如果我們改用另一種系數接近100 至150 Ωcm的磁性材料，我們就能降低渦流損耗。”

　電源SOC開發工作中的另一個癥結是高速開關器件。降壓轉換器體系結構是目前最常用的DC/DC-SMPS拓撲結構，在效率和開關頻率之間是負相關：開關頻率每提高一次，效率最初都會下降。德州儀器公司(TI)電源管理產品業務的產品線經理Ted Thomas說：“如果你的設計方案的開關頻率是5 MHz，并且把它提高至20 MHz，那么開關損耗至少將是以前的四倍。開關損耗最終會支配電源效率。”

　但是，有幾種拓撲結構的開關頻率和低效率之間的關系較弱。以ZVS（零電壓開關）拓撲結構為例，開關器件僅在其兩端沒有電壓時通斷。可使用電路的諧振頻率來確定零電壓點。設計者們多年來一直在AC/DC電源中使用ZVS，這些電源必須容納大電流。這些開關損耗很低的拓撲結構的問題在于其復雜性。但如果制造商們能把它們裝在“黑盒”電源SOC中，并且為設計方案配比了合適的磁性元件，那么對于電路設計者而言，它們就能變成直截了當的構件。

　還可選擇一些采用非傳統工藝的技術，它們目前可供設計者探索更快的開關器件。例如，碳化硅能以較低的損耗支持很高的開關速率，但它較高的成本可能會使它無法用于主流的成本敏感型器件。International Rectifier公司9月宣布了它的氮化鎵平臺，它宣稱這種半導體工藝具有“改變游戲規則的”較高功率密度。該公司聲稱：它的技術優勢在于它能使用廉價、貨源充足的硅晶圓來構建電路。該方法在不犧牲性能的前提下降低了成本。與未采用硅的氮化鎵產品相比，這些器件還能在高得多的電壓完成開關動作。International Rectifier公司計劃年底之前開始發運這些器件的樣品，工作頻率低于6 MHz至10 MHz。

　電源SOC未來還會發生哪些事情？10MHz PSIP和100MHz PSIP將分別在未來18個月和三至五年內出現，二者都將采用標準的硅工藝。

參考文獻
1. International Workshop on Power Supply on Chip, Cork, Ireland, www.powersoc.org/programme.html.
2. Tyndall, www.tyndall.ei.