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功率数字市场功率转换及管理的数字控制

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  在TSMC,0.15/0.18m m产品的生产量远远高于0.25mm产品(图1,来源ISSCC 2007/SESSION 1/PLENARY/1.1)。预期规模经济将会进一步促进有关的转换过程。

 分割与封装

  “分割”是指把一个或多个集成电路中的功率转换部分的功能组合起来。有关选择应该基于控制环路的分层结构 (保护、电流、电压、热能)、功率水平,以及在效率和空间之间作出权衡。在讨论直流-直流技术的时候,我们会碰到一些像“分立解决方案”、“集成控制器及驱动器”、“集成功率级”等词汇,而IR的iPOWIR功能模块就是好例子。

  分立解决方案是指拥有1至6相的分立控制器集成电路,当中的驱动器及场效应管都是分开的(见图3)。这项解决方案可以开放给替代供货来源,体现最大的灵活性及性能表现,成本更低,但占最多的电路板空间。模块制造商可以提供较为节省空间的分立解决方案模块,但需要牺牲其他来源的优点。不过,引脚对引脚的兼容性还可以保留。

  集成控制器及驱动器是指在同一个集成电路内设有1至3相输出及相关的驱动器(图4)。它需要配合外置场效应管,又沒有替代供货来源,驱动能力也有限,但优点是比分立解决方案节省耗用更少空间。另外,由于集成电路的散热功能有限,所以只能设置3个驱动器,而且拉/灌电流也只能夠维持于它们最大的水平。

  集成功率级是指同一个集成电路中单一相位的驱动器及场效应管。它比分立解决方案占用更小的空间,因此适合用于500kHz以上空间有限的应用。驱动器比较接近场效应管,所以能够在高频下高效率工作。只要配合一个合适的控制器,它就可以用于一至多个相位,但一般都没有替代供货来源。有关集成电路通常都根据特定的输出电流范围和占空比而作出优化,所以整个解决方案的成本往往高于分立解决方案。

  这种器件一般都属于全集成的多芯片模块或MCM(把控制器、驱动器及场效应管全部装设于同一个集成电路中)。虽然它占用的电路板空间最少,但基于封装的热能限制,只适用于比较低的功率水平,而且一般都没有替代供货来源。封装的选择取决于芯片面积、引脚数量和散热需要。在大多数情况下,人们都会忽略了一个情况:原来把控制功能和功率级集成,通常都会造成未能充分善用功率级的现象,结果只能够在控制器的最大可用温度下操作,或由于需要强迫控制器在最大的功率级温度下操作,而对零件的可靠性打折扣。

  一个较低的上下热阻封装比较适合所有结构的需要,但是零件价格比较高。当场效应管在更低的温度下操作,导通状态电阻会更低,只需要一个更小巧的场效应管就能够完成工作,或者能够改善效率、节省能源,更胜于采用更佳封装和加入额外散热设计需要付出的高昂成本。另一个优点是可靠性将大大提高。

  由于拥有通信及引脚功能分配等额外功能,所以包含了数字控制器的系统解决方案需要更少的元件和控制器零件。不论在功能组合或封装选择方面,数字结构都比模拟结构优胜。

  市场分布

  市场分布方面,消费市场占50%以上,信息技术产业则降至45%以下,余下的5%属于政府用户。其中消费市场中出现了大量商机。尽管高端系统开始采用数字技术 (见图1),但生产量和利润率偏低使市场难以维持。实际上,消费市场中能够有比较高的产量,仍然是由模拟产品主导,不论是在功率转换或管理领域也是一样。要推动数字技术,必须在高端和低端市场双管齐下:高端市场着重完善功能及超卓性能,但以低成本为目标;低端市场以模拟技术主导的裸机为重点,但着重更低的成本以吸纳市场份额。讽刺的是,最大份额属于功率及而不是控制器。因此市场预期,假如能够把两者合一,就可以相得益彰,同时提高产品的边际利润及营业额。市场还预期大量的模拟元件会被更小量可配置的数字元件所取代。借着“整修”(增/减) 来实现更精细的结构,将可以带来更大的优势。

 应用

  市场上有多种不同级别的大批量功率转换器,按每瓦特成本由低至高依次为:直流-直流非隔离3~15W (蜂窝电话、PDA及手持式设备)、直流-直流非隔离15~250W (负载点及VRD/VRM) 嵌入式设备及模块、高至2000W 的隔离式交流-直流,以及隔离式直流-直流机板贴装式功率模块 (全调整、半调整和直流-直流变压器)。

  低功率手持式设备主要采用模拟功率控制及数字功率管理。

  数字功率控制及管理技术最早是用于高档电脑及图像处理领域 (VRM/VRD),紧接其后的是网络通信 (数据通信及电信) 及存储系统。负载点 (PoL)、嵌入式设备或模块及隔离式直流-直流模块是网络通信中首选的解决方案,而存储系统则同时采用VRDs/VRM及PoL。这些应用皆采用数字硬连接或混合式逻辑结构。不同类型的交流-直流系统采用μC、DSP或DCP控制及功率管理技术,也有越来越多隔离式直流-交流反相器和隔离升压直流-直流转换器加以仿效。

  不论是哪种应用,操作模式的改善都有助于提升低负载环境的运作效率。这包括相位的减少、脉冲跳行、更低栅驱动电压和更低的开关频率。至于在全负载的环境下,运作效率的提升则源于更低的导通状态电阻 (更完善的场效应管) 和革命性的拓朴技术。

  要为数字结构创优增值,创造更大利润及提高生产量,企业必须超越“莫尔定律”。

  挑战

  外来挑战包括市场惯性的转变,包括工程师和硬件两方面。硬件的挑战基于用户量大但缺乏数字接口。另外,市场分割使营销人员难以为产品赋予定义,并且要求所有人都采用新技术;而市场对新技术的抗拒 (例如基于高价钱及“Z系列”的专有通信总线) 或因为害怕IP诉讼而延迟采用都带来挑战。与此同时,操作不便的图像用户接口、不完整的操作指引文件,都有可能增加客户及分销商的操作培训时间。另一方面,现有模拟技术的竞争相当激烈,各家厂商纷纷降价和推出新产品来争吃市场大饼,甚至制造种种的恐惧、不确定、怀疑现象以吸引用户。此外,购买量少和低利润往往对新用户造成了障碍。

  内部挑战之多、严重性之高绝对不下于外来挑战。学习时间之长、设计上的限制,加上检验和确认程序的资源需求,都拖慢了产品面市的时间,甚至使产品损失市场份额。可配置数字控制器的设计检验程序理论上是无穷无限的,而检验和确认方法及工具不足够,也使问题进一步恶化。此外,模拟与数字工程资源更需要互相协调和配合。

  最后,我们不应该忽略另一个重大的挑战,那就是企业文化往往影响了采用新技术的态度和想法。“我们的产品、资源、时间和市场不足够”这种观念绝对不应再成为限制因素。


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