需求增长让电源管理器件市场更添活力

电源管理半导体市场在2003年再告丰收。iSuppli公司的统计数据认为,2003年全球电源管理器件(包括模拟电源IC和其它电源分立元器件)市场的销售收入比2002年增加了近14%,约153.9亿美元,同时认为该市场在2004年的销售收入将在2003年的基础上再增加15%,达177亿美元。

长期以来,电源管理器件的增长速度比半导体总体营收增长更快。iSuppli负责电源技术业务的分析师Gary Vick表示,这种现象在2002～2004年十分典型。三年中,电源管理器件的总复合年增长率为40%,而半导体总体增长率则为35%。Vick谈到推动电源管理器件市场增长的原因时说:“所有电气或电子设备都需要电源来维持正常工作,从而在各种产品领域中都为电源管理器件提供了足够的市场。”

从应用领域看,电源管理器件市场的焦点仍集中在便携式设备、计算机、通信和网络设备应用等领域,同时工业设备对电源管理器件的需求也呈上升趋势。这些需求的增长让电源管理器件市场更添活力,各供应商积极进行技术创新,不断推出新产品来满足OEM的特殊需求。同时,厂商之间也一改传统,尝试着以合作方式拓展生存空间。HSPACE=12 Title="图1:iSuppli认为2004年全球电源管理器件市场将增长15%。">

便携式应用考验电源管理

另一家市场调研公司CIR,在今年初专门针对面向便携式应用的电源供应与电源管理器件(包括分立器件与集成芯片)市场发布了一份预测报告,该报告认为未来几年的市场前景非常乐观,而面向便携式应用的电源器件市场将在2004年达到43亿美元,并将在2008年继续攀升至72亿美元。

CIR认为,便携式设备中新增加的音视频、数据输入、无线连接等功能将对电源管理形成新的需求。同时,处理器速度的加快,迫使电源管理芯片和子系统必须跟上这一变化,提供配套的能源支持。另外,新型电池技术、尤其是微小型燃料电池技术的商用化即将开始,也迫使电源芯片厂商重新思考未来的电源系统设计。

在这些新的需求变化下,便携式设备的电源管理呈现出下面几个特征:最重要的当然是效率。首先,正如德州仪器(TI)便携式电源管理产品市场营销经理Patrick Heyer所说的那样,效率仍是便携式电源管理的焦点。因为便携式应用大多由电池驱动,高效率、低损耗的电源转换与管理就显得相当重要。随着处理器内核的工作电压由1.8V降到0.9V,需要一个高效率的降压切换式稳压器提供电源支持。提高电源效率还意味着降低睡眠状态电流和工作电流,因为便携式设备大多数情况下处于待机状态,如能在轻载时提高效率,便能延长电池寿命,更能发挥节电功能。比如安森美公司在今年初推出的NCP1510可在轻载时,由PWM模式转成脉冲模式,1.8V时能达到60%的轻载效率。

其次,便携式设备中的电压数量越来越多。比如在手机中,各种器件与功能所需要的特殊电压数量已超过20个。“支持多电压操作的IC技术自然将成为未来电源SoC的一部分,尤其针对手持设备应用。”研诺科技公司(AATI)CEO兼CTO Richard K. Williams说,“如何有效、精确的为每个半导体器件或功能供电已成为电源及电源管理IC供应商的巨大挑战。所有这些专门的电压转换与调节的任务,不论是低噪声、高频率,还是超高频,完全是电源管理IC的功能与责任。”HSPACE=12 Title="图2:电源管理器件主要应用在数据处理、消费电子与工业电子领域。">

然而,便携式应用的板级空间却十分有限,这就迫使电源IC厂商把更多功能集成到更小的封装内,或者把多路电压转换集成到单芯片封装内。

再者,未来的电源管理IC必须能够产生更低的电压,以跟上深亚微米技术的发展。Semtech公司网络与工业电源管理产品事业部战略营销经理Scott Deuty指出:“低电压情况下的电压调节将更加困难,电源管理IC也必须通过生成更低和更精确的参考电压来适应新的变化。同时,随着数字IC的速度不断提高,电源管理IC的瞬时响应也必须随之提高。”

1.系统级电源管理

现在,便携式应用越来越强调系统级效率。由于功能的不断增加,这些设备中所用到的处理器的结构不断复杂化,各种专门的应用处理器的数量也在增加。不仅如此,处理器芯片厂商还为各个功能模块设定了繁多的待机模式或运行模式。尽管这一做法的出发点是为了降低系统功耗,但在一定程度上使便携式设备、尤其是手机产品的电源管理变得复杂。

可是,便携式设备的板级空间又十分有限,迫使电源管理芯片厂商开始提供系统级的电源管理芯片。台湾立?W科技公司的发言人认为:“在日益竞争的时代,提供高效整合且小体积的解决方案势在必行,且应以整体电源方案为客户降低成本、提升效能与可靠度。”

在众多的系统级方案中,国家半导体公司(NSC)在2002年11月推出的PowerWise闭环自适应电压调节(AVS)技术颇引人注目。该公司声称此技术优于现有的开环电压调节技术,可大幅提高系统的能源效益。在问到AVS的最新进展时,其亚太区便携式电源产品经理吴主祥说:“我们正努力把PowerWise技术制定成一个开放式的标准,以便手机制造商可以免费采用。为此我们与各大手机制造商开展了紧密合作,携手开发可使不同厂商的数字处理器及电源管理芯片能互相通信的标准接口(PowerWise( Interface, PWI)；我们还通过一个专案小组或公认的国际标准制定组织(如处理器接口联盟MIPI),为该技术制定一个业界标准。预计采用PowerWiseTM技术的新一代产品很快就会推向市场。”

安森美半导体(On Semiconductor)则推出了NCP4115多功能混合模式芯片来实现系统级电源管理。这颗64引脚的芯片包括多个独立功率转换和管理电路,如1个完整的锂离子电池充电器、1个开关模式DC/DC转换器、7个数字可编程的低噪声LDO(输出电压范围为1.5～3.0V)、2个用于振动电机和LED指示灯的通用 LDO,以及各种其它系统控制和接口模块。

2.更加精确的电压参考

同时,便携式设备还需要更加精确的电压参考,对电压调节进行修整。“最重要的是电压参考,它的性能取决于调整、噪声隔绝,以及采用良好的集成式双极器件。虽然模拟CMOS集成了一个双极器件,但难免产生地线噪声。”AATI的Williams说,“历史上看,BiCMOS和BCD(双极-CMOS-DMOS)通过采用完全绝缘器件克服了噪声耦合问题,但代价是采用昂贵的epitaxial junction-isolated工艺。”他继续说,AATI开发了自己的安全绝缘ModularBCD技术,实现了上述集成,但无需采用晶圆生长或者长时间扩散。

Williams还对竞争对手Xicor公司在去年7月采用浮动门模拟(FGA)技术推出的精密基准电压器件发表了看法,他说:“该技术具有编程电流较低、焊盘(bonding pads)浪费空间较小的特点,是一种有吸引力的电压修整方案。不过,我们的ModularBCD技术能够集成E2PROM和OTP(一次可编程)两种类型的浮动门器件,成本更低。”

走向集成

出于便携式设备布局布线的限制、对噪声敏感的应用及数码相机模块需要特殊电压等原因,分立的LDO仍在市场上顽强生存。厂商们也在不断提高LDO的电源抑制比(PSRR)与超低噪声等性能。例如,TI在今年初推出的TPS723xx具有标准值为60μV(RMS)的超低噪声性能,并能以1kHz的频率提供65dB的PSRR,从而能防止电源产生噪声耦合。

但LDO无可避免的朝多功能集成方向发展,甚至被集成到PMU中。如AATI在去年底推出的AAT3223,该器件集成了PowerOK功能,可监测LDO输出电压,能在输出低于稳压范围时报警。同时该器件还提供了省电引脚,引脚电压降低时可使LDO进入关闭模式,从而延长电池寿命。

而安森美则推出了以PWM和LDO双模式工作的NCP1501。据称,该器件在轻载下可由PWM模式转为LDO模式工作,1.8V下的效率为30%左右。

4.智能化的充电IC

如何使有限的电池容量最大化,把电池用到最后一库仑,是便携式设备开发商所面临的众多工程挑战之一。

“电池寿命最大化与电池的充电方式有关,需要同时使电池寿命和充电次数最大化。”AATI的Williams说,“目前的充电器利用线性方法散热,因此最好放置在便携产品的外部。如果使用内置式充电器,最好利用开关充电器方法,以使充电时间最短,发热量最小,同时不会降低客户的安全性。”该公司曾在去年7月推出了具有过流过压与温度保护、支持点滴式充电、恒流和恒压等各种充电模式AAT3680线性电池充电控制器。

一些公司还推出了智能充电IC,它能够合理的选择各种充电参数,如电流、电压、温度、精度以及充电速度等。Semtech的Deuty表示,该公司的SC802等解决方案具有不同的充电速度,分别用于预充电(电池电压远低于充满时的电压)、快速充电(在满足热要求的情况下,可以向电池充入尽可能多的电流)和终止充电(电池电压几乎达到充满水平)。

同时,这些充电IC的充电精度也越来越高。各公司还采用热效率高的封装或加散热片来解决热管理问题,并通过增加过流/过压保护电路和充电计时器来避免过充。

意法半导体公司(ST)亚太区电源事业部高级经理Marco Ferraresi则提到该公司正开发能优化充电过程的芯片。他说:“挑战是效率与充电时间。不过我们相信我们的BCD5技术能解决这些问题。”

5.满足高质量的显示需求

另外,消费者还希望便携式设备能显示高质量的图像资料,这就要求新型恒定电流的电源管理器件必须能有效的驱动白色LED。比如TI针对OLED显示推出了新型白光LED充电泵。据悉,TPS65130采用可编程定序技术能够产生高达15V的正输出电压以及低至-12V的负输出电压,功率转换效率高达89%,可支持高级OLED以及电荷耦合器件传感器偏置电源。

AATI则于今年4月推出了2款白光LED充电泵AAT3131和AAT3134。Williams说:“如今许多手机产品都有主屏和副屏,或者需要显示多种亮度、颜色来显示呼入号码的不同。我们这两款新的白光LED充电泵能以单一的输出线路控制多个LED,从而能减小板级空间。”

总线架构和DC/DC转换器热点层出HSPACE=12 Title="表1:尽管IBA有上述优点,但该架构只适合于特定应用。">

随着技术的不断演进,通信与网络设备电源已由原来单一的集中式供电架构,演变到灵活多变的分布式供电架构(DPA)。零电流及零电压开关拓扑的应用,极大地减小了转换器的开关损耗,使之在高频中能够稳定工作。后来,平面变压器技术、同步整流和开放式结构的出现,使转换器的效率进一步提高,功率密度进一步增强,为分布式供电架构的广泛使用提供了有力的产品保证。

同时,通信与网络设备的发展也为电源供应商带来了新的挑战。用户单板上功能更加密集,使系统集成愈加复杂,各种无线、传输、交换等设备对电源的要求也越来越高。同时,用户对成本更加敏感,使价格成为市场竞争的关键因素。

从2003年至今,存储、网络、电脑和无线基础设施等关键市场对电源的需求都在增长,尤其是用于DPA和中间总线架构(IBA)的DC/DC转换器。然而2003年电源产品价格的下跌已使市场的增长趋缓。市场调研公司VDC预测2004年,AC/DC电源市场将由2003年的41亿美元增长至42亿美元,DC/DC转换器市场则将由20亿美元增长至21亿美元。VDC的电源产业分析师Marianne D'Aquila表示,多余库存已经消化掉,各垂直市场的需求在上升,市场将微幅增长。她还表示非绝缘DC/DC转换器将成为增长动力,因为高电流条件下较低电压的级别增多,特别是在电信和消费电子市场。

1.总线架构竞合发展

DPA在过去的一年里又迈上了新的台阶,各公司继续致力于提高密度和效率,同时开发更小封装的砖型产品。同时,IBA架构由于可通过12V标准输入使DC/DC在低输出电压情况下实现更高的转换效率,也获得了极大的注意。泰科电子电源系统公司(Tyco Electronics Power Systems)的工程师袁文俊在对比IBA与传统DPA的特点时说:“从转换效率来看,尽管IBA要经过二次DC/DC转换,但第二次转换效率极高。同时,非隔离DC/DC转换器可非常接近负载,可达到很高的瞬态响应速率。”

许多公司都在竞相发展基于IBA架构的产品线,如SynQor公司正努力扩展BusQor IBA产品线,迎合客户不同的封装尺寸、功率等级、输入/输出电压范围的需求。SynQor公司的发言人说:“其中的一个挑战就是帮助客户将中间总线方案与他们的POL非隔离转换器相连。”

当然,IBA在某些应用中可能会比传统DPA更加低廉,因此有可能蚕食传统砖式DC/DC转换器的市场,但这并不意味着IBA会取代传统的砖式架构。对此,这位发言人说:“目前看来IBA架构只在高功率、电压输入范围小、输出电压大的领域适用。设计工程师在选择架构时应该考虑如下几个主要因素:包括功率级、输出电压等级的数量、POL负载转换器数量、输入电压范围、价格等。”VDC的D'Aquila也认为,仍将有许多应用继续使用砖式架构,包括工业领域。

另外,Vicor公司还推出了分比式电源架构(Factorized Power Architecture)概念。据称,FPA架构是DPA架构的改良,它将由一个预稳压模块完成稳压功能,由此得到一个受控的分比式总线电压,而变压与隔离的工作则由电压转换模块来完成,最终得到负载点所需的电压。

2.集成化和多路输出的DC/DC

总体而言,低电压、大电流、高效率、小尺寸、低成本是DC/DC转换器发展的趋势。泰科的袁文俊认为,从技术上看,零电流零电压开关、平面变压器原理、同步整流、超高开关频率、开放式结构等新型技术的应用,使高性价比电源不断出现；从产品角度看,1/8砖、1/16砖,特别是POL转换器的推出,完全满足了客户的需求。他说:“POL转换器具有极高的转换效率、极小的调整率、较宽的输出电压调整范围、高速瞬态响应、灵活的上电时序、较高的带载能力,而价格仅为相同功率的隔离式DC/DC转换器的20～30%左右。”

同时,DC/DC转换器的效率和密度也在不断增加。5年以前,同步整流技术和开放式架构的引入,使DC/DC转换器的效率增加了10%,电流密度和功率密度增加了2倍,稳定性也得到了显著改善。尽管短期内不太可能再获得如此大的进步。但封装、电磁性能、MOSFET与其它关键器件的改良将提高效率,从而进一步增强转换器的性能和稳定性,同时降低功耗。

除此以外,通信与网络设备的集成化趋势需要DC/DC转换器集成更多的功能,同时具有更宽的输出电压或多路输出。Semtech的Deuty称,该公司为多路降压转换器提供的控制IC,输入电压范围达1.8～30Vdc。目前,Semtech的产品可以对降压稳压器的多个工作阶段进行控制。与许多竞争者的产品不同,该公司的产品可以通过交错并联把降压级合成一个高电流输出,或者使降压级作为多个单独的输出。此外,Semtech的SC4201是一种可以提供2～4相的多相控制器, 用来同步和交叉多个控制器的相位。Deuty说:“通过可调整的占空比,控制器的最低输出电压可以达到0.5VDC,最高可以达到输入电压的80%。”

针对这样的趋势,袁文俊表示,泰科也已推出符合xDSL的应用4路、6路输出产品；还推出了输出电压可在0.75V~3.3V范围内随意调整的非隔离产品。他说:“这种设计不仅能很好地针对客户的实际应用,而且也能帮助用户较好地进行产品管理,减少元件种类,降低电源方案的总成本,并使电源的通用性大大加强。”

与DOSA挑旗对阵

随着竞争的加剧,电源芯片厂商之间、芯片与模块厂商之间的合作越发紧密。比如,Artesyn、Astec、TI和爱立信的POLA联盟(Point Of Load Alliance)；Tyco与SynQor的DOSA联盟(Distributed-power Open Standards Alliance)。

这两个联盟都有共同的特点,即联盟内各成员之间的产品具有互用性,客户能够灵活替换。TI的Heyer说:“互用性包括EMI、开关频率、响应速度、启动参数和热性能等参数指标。客户只要选择了某家POLA成员的产品,就能从其它成员处获得同样的产品供应。”

而泰科电子电源系统的中国区销售经理陈武斌说:“DOSA这种竞争者之间的联盟涵盖了最广泛的贴装电源模块。包括IBA转换器,非隔离POL模块和隔离式转换器。在开发的早期阶段形成统一的标准,包括引脚、布局、控制功能和基本参数。”

其它公司表示正在关注这样的动向。飞利浦公司认为这样的举动在过去几年司空见惯,该公司的发言人说:“它正好反映了电源供应市场的规模和成熟度。POLA与DOSA表现出的商品化是客户需求的真实反映。”

在谈到POLA的最新进展时,TI的Heyer说:“POLA联盟成立以来获得了市场的密切关注,我们也在努力推动该联盟获得各方的广泛认可。在过去9个月里,POLA各成员紧密合作,发布了30个非隔离式POL产品,同时电源行业的其它主要供应商也对我们的联盟表示出了极大兴趣。”

DOSA联盟则在不久前宣布了1/16砖DC/DC转换器的标准。泰科的陈武斌说:“初期产品将包括泰科的SuperLynx II和SynQor的NiQor系列POL器件,未来还将公布大电流1/4砖及IBA转换器的标准。”

作者:肖平