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电源数字产品电源及电源管理领域的几个创新

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如今,低碳经济成为全球时髦之词,我国是世界碳排放第二大国,电源输出效率的提高和有效管理,成为了节能环保的重要环节之一。电源的哪些领域是增长热点?


数字电源增长可期

  数字电源十年前发展起来,目前颇引人关注。据iSuppli[1]分析,过去五年来,数字电源技术一直处于电源市场的中心,未来五年数字电源市场的年复合增长率(CAGR)为45.3%。2008年来,发生了几次重要收购,英飞凌收购了Primarion公司,Intersil收购了Zilker Labs,TI收购Ciclon公司,Exar收购了FyreStorm的知识产权。

  2008年刚刚收购专业数字电源厂商Zilker Labs的Intersil对数字电源的发展非常乐观:“我相信数字电源总有一天会取代模拟电源。不过,这将是一个很漫长的过程。因为这里涉及到很多因素,包括成本,还有所有模拟电源的性能是不是数字电源全部能够做到,使得最后模拟电源无法跟数字电源比拟。”Intersil公司中国区总经理陈宇说。

  电源领域现在受到了很多不同于传统的挑战,其中最重要的几个方面有:

  ● 在高密度的应用上所面临的散热和占板空间的挑战,例如在多电压域或宽负载范围内仍要保持高效、快速的瞬态响应,墙上电源有限等问题。

  ● 复杂的电源管理需求。现在的工程师在设计时,会大量采用DSP、ASIC、FPGA等,这就对电源管理提出了排序要求、上升沿控制要求和系统可靠性的要求等等。

  ● 系统可靠性的关注。

  数字电源可谓解决这些问题的一个很好的途径。

一个芯片,多种方案

  今天,有两种形式的数字电源主导市场:

  ● 数字电源管理器(DPM),使用数字信息来管理电源系统及其中电源的整体运作;

  ● 电源数字控制器(DCP),使用数字技术来控制电源单元内部的功率开关功能。目前DCP已经成为了主导技术。

  例如,Intersil-Zilker Labs提供了一个智能化的数字电源管理解决方案,产品很有特点体现在:首先,可以在负载很宽的范围内提供高达90%的工作效率;其次,解决方案非常灵活,可为客户提供了一个完全数字化的电路,客户可以根据自己的需求在芯片内部做配置,Intersil-Zilker Labs也可以根据客户的要求在生产芯片的时候就为客户完成这个配置;最后,产品具有高集成度(如图1)。

  具体来说,在高集成度方面,传统的模拟解决方案一般都需要限流电路、回路补充电路、时钟同步、高精度的检测电阻和输出电压的配置等周边电路或器件。但在数字电源解决方案中,上述功能可全部数字化后集成在一块芯片中。

  数字电源解决方案的另外一个优势是设计简单:同一块IC可以适合很多不同的应用,从3A到40A,只需要把输出端的MOSFET和电感电容调整好就行。所以当工程师做出一套解决方案之后,可以很容易地扩展到其他规格要求的解决方案上。所以可实现“一个产品设计,多套解决方案”的目标,可以大幅缩短产品开发时间。

  数字电源目前适合高端应用

  iSuppli认为,数字电源增长最快的领域将是高端服务器、数据通信和电信市场,预计笔记本电脑和显示卡等低端计算市场将随后加快增长。

  “尽管数字电源能够为客户减少元件的数量,因此整体的成本会更便宜,”Intersil亚太区业务副总裁Kent Chon认为,“但这并不意味着数字产品要比目前的模拟产品总体成本低。Intersil有两种模拟产品,都是非常低端的模拟产品,特点是低功耗,价格在0.5-1美元之间。”Intersil-Zilker Labs的数字产品一般针对的不是这类低端模拟应用,而是高端电源模块,如 3A、6A、10A和 40A。在低端产品上,数字电源产品要比低端的模拟电源产品贵。

  “在瞬态响应、输出的精度方面,数字电源和模拟电源还有些差距,”陈宇补充道,原理上,模拟可以做得非常精准。所以客户在选择模拟与数字时,需要有个评判:更在乎空间小,还是更加精准,还是成本。

  高功率晶体管的发展趋势

  英飞凌(Infineon)6月在华首发了高性能功率晶体管CoolMOS C6,比较注重成本的降低。英飞凌是高功率晶体管的领先厂商,其产品特点具有一定代表性。英飞凌科技奥地利有限公司全球开关电源高级市场经理Thomas Schmidt介绍了600V C6的特点。

  首先,C6的成本比C3低,成本主要取决于芯片尺寸的大小,CoolMOS C6硅片变得更小,并采取新的封装技术来降低成本。在单位封装方面,以T220封装为例,其他品牌类似产品的导通电阻大约是380mW,而英飞凌C6现在做到最好的是99mW。如果竞争对手为实现同样的导通电阻需要应用TO-247封装,成本将会增加。英飞凌在TO-247封装方面能做到45mW,而其他品牌难以做到这么低。在硅片方面,尺寸和功率往往成正比,如何平衡两者的关系?要做到小硅片,英飞凌通过做到降低损耗来达到平衡。如果损耗跟之前一样,那是没有竞争力的。

  其次,在电源工作频率方面,英飞凌的MOSFET开关频率可以提高到250kHz~400kHz。如果用其他品牌的超级结结构的MOS,会产生大的损耗。但如果采用CoolMOS,可以实现频率超过250kHz。当然开关频率越高,损耗越高,例如超过450kHz以上,就要采用零电流、零电压等软开关架构,英飞凌的方法是配合二极管去实现。

  英飞凌的C6主要替代C3,特点是成本更低。英飞凌没有C4系列,因为4在中文里有不好的寓意;英飞凌把其C5系列实际命名为CP。CP的开关损耗是最低的,所以C6不能代替CP,CP更适合在更高效的电源产品中。

提高开关频率的方法探讨

  在实现过程中,是否不再需要采用谐振的电源架构?Thomas认为,准谐振要求不能太高,如果是二三百瓦就不推荐了。当输出功率越高,电流就越大,导通损耗则越高。如果没有一个低导通电阻的MOS,导通损耗会很大。由于CoolMOS的导通电阻较低,可以降低导通损耗。另外,CoolMOS里面的输出电容很低,该参数是影响开关损耗最大的因素。如果输出电容量低,累计损耗就低。采用谐振的设计,也需要通过对输出电容进行通电放电,也会产生一定的损耗。因此,如果是用传统的MOS进行设计,损耗会很高。

  输出电容对电路本身有影响,那么输出电容降低后是否对线路性能也有影响?Thomas说,将输出电容降低不会影响电路的性能。但开关频率提高,输出电容会和PCB(印制电路板)寄生的电感等参数会产生谐振,会产生些尖峰。工程师应该关注这一点,不管提高还是降低,都需要知道寄生参数的影响。所以,在做PCB布板的时候,需要了解如何将其优化。如果没有这些配合,不可能把开关频率提高。仅仅改变参数,是不会对电路产生影响的。

  而且C6的开关频率由用户自行设定。MOS的开关频率是从PWM来确定的,100kHz、150kHz或200kHz都可以。

  如果频率到了100kHz以上,那总体损耗是否由开关损耗来决定?其实,工程师选多大的开关频率去做设计主要基于以下几点:成本、效率和大小。只要将开关频率提高,诸如电容等被动器件的体积就可以变小。但导通损耗一定会存在,永远是越低越好。对于功率半导体来说,导通电阻和寄生电容是成反比的,一个高,另一个势必就低,但我们可以将两者达到一个优化点。

  英飞凌的方向是在降低导通损耗的同时又降低开关损耗。公司提倡的FOM参数就是体现这个方向。导通电阻越小的开关管,由越多的MOS胞元并成。寄生出来的电容也就越多,也就会增加越多的开关损耗。这就要工程师在开关损耗与导通损耗间找个平衡点。

  那么,以开关损耗为主时,器件的总体损耗会高出很多吗?答案是由于寄生参数变低,就会降低其开关损耗,每一次充电放电的能量损耗和每一个开关的损耗都会降低。但如果将开关频率继续提高,还是要考虑很多方法去控制其损耗。

  电源管理的发展趋势

  电子设备的电源从模拟改成开关已经迈出了一大步,今后只能略微提高一点效率[2]。不过,负载的用电效率也大有潜力可挖,这些负载包括各种处理器、存储器、背光源甚至电动马达等,电源管理集成电路(PMIC)在此大显身手。

  电源管理系统实现了将电源电压和电流转换成所需电压和电流的功能,同时管理这些电压在相关负载上的分配。电源管理系统可以由一些次级模块,如降压转换器、升压转换器和LDO组成,但是电源管理系统的智能化将其与分立化的解决方案区分开来。

  在绝大多数情况下,将由PMIC或电源管理单元(PMU)为一个复杂的器件供电,如一个应用处理器,为了满足这个处理器的各种需求,PMIC将需要某些形式的智能来实现供电,且无需任何来自于处理器的“帮助”,所需的基本功能之一是按照一个特定序列提供各种电压的能力;PMIC的另外一个重要功能是能够使处理器转换到低功耗状态的能力,从而节省电池/电源能量,加以迅速唤醒处理器的能力,确保用户体验质量。

  在便携式产品中,PMIC的应用尤为突出(图2),电源管理市场目前以手机为主导,占据了总体有效市场的60%以上。市场调查公司Venture—Q的研究报告表明,预计2008~2013年全球便携式设备数量的复合年均增长率为12%,即从20亿部增长到34亿部,这些设备将推动PMIC的多样化和性能。

  因此,很多模拟芯片在PMIC市场开拓。例如9月底,英国欧胜(Wolfson)微电子公司宣布推出一款高集成度的电源管理解决方案WM8320,为基于ARM处理器等架构的便携式多媒体设备提供最大化的处理器性能和更长的电池寿命,尤其适用于上网本、移动互联网设备、智能手机和数码相框等应用。

  欧胜电源管理工程部总监Dave Smith说,对于系统工程师而言,设计出可提供高性能多媒体体验的、更小体积和更高效率的电源管理解决方案是一种挑战。

  WM8320的突出优势是结合了欧胜专有的BuckWise稳压器技术,使其PMIC能够处理用户开关不同的产品功能时在电源需求方面的切换。Buckwise稳压器技术提供良好的瞬态性能,消除经常因电源需求的快速变化而导致的供电输出的扰动,而无需添加额外的高值外部元件,或者将处理器速度降低来减少负载电流。WM8320还可用于那些无系统电池的应用中,例如机顶盒。

  “通过使用WM8320,消费电子制造商可采用如SMT片式电感等更小的元件来代替昂贵的、分立的大体积绕线电感器,”Dave说,“因此可极大地节约成本,也因此可以比前几代解决方案减少25%以上的占板面积。”

  WM8320带有4个直流-直流(DC-DC)同步稳压器,分别是两个带有BuckWise技术的1.2A稳压器和两个1.0A稳压器。两个1.0A稳压器可以组合在一起生成一个联合1.6A输出,以支持大容量存储体,或者为提高效率而用来预调节任何内置于WM8320的10个LDO。

  这种增强的瞬态功能还可以降低功率,使处理器能够运行在更低的电压上,提高功率效率。系统设计师们可以选择将处理器功耗减少最多达25%,超过了之前几代稳压器,或者将处理器速度提高最多达25%。因此,如智能电话设计师可以帮助用户实现更长时间的多任务应用,同时保证高质游戏、音乐播放和视频分辨率不受影响。

  已申请专利的EEPROM接口技术将设计过程的灵活性实现了最大化,允许产品设计师根据需要对PMIC的“一次性可编程”存储进行任意次覆盖和改写,同时在启动顺序和电压电平方面完善其设计。由于产品开发和移植的需要可以很方便地满足,使WM8320和WM83xx系列成为一项不会过时的选择。

  2011年电源类半导体市场

  达250亿美元

  据Gartner在2009年5月的报告指出,2008年仅便携式设备中的电源类半导体产品年收入超过了140亿美元,数量达260亿块以上,约占总的模拟芯片年收入的40%。到2011年,电源类半导体产品将是一个250亿美元的庞大市场,其中分立电源元件将占据该市场的50%,电源管理芯片是一个60亿美元的市场,另外的60亿美元被其他分立和集成稳压器占据(图3)。

  可见,电源设计在电子产品中的设计将举足轻重。对于系统工程师而言,设计出可提供高性能、更小体积和更高效率的电源解决方案是一种重要挑战。


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