電源管理技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)訪談錄
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為了向讀者介紹最新的電源和電源管理技術(shù),本刊采訪了一些公司負(fù)責(zé)人,他們就電源和電源管理技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)、新產(chǎn)品/新技術(shù)及其應(yīng)用、典型解決方案等發(fā)表了獨(dú)特見(jiàn)解。下面是訪談錄。
飛兆半導(dǎo)體公司亞太區(qū)總裁兼董事總經(jīng)理郭裕亮
有兩個(gè)主要因素驅(qū)動(dòng)著電子應(yīng)用中電源和功率管理的發(fā)展。一個(gè)是對(duì)更高效電源的需求,其推動(dòng)力是對(duì)于全球的節(jié)能需求以及遵守不斷推出的強(qiáng)制性能源效率規(guī)范要求。另一個(gè)驅(qū)動(dòng)因素是減小電子器件的尺寸。隨著產(chǎn)品日趨小型化,但功能卻越來(lái)越多,在實(shí)際產(chǎn)品中留給散熱器等熱管理器件的空間日益縮減。因此,功率管理和效率提升需要在集成電路及從拓?fù)涞膱?zhí)行中實(shí)現(xiàn),以達(dá)到更高的功率效率。
提高功率效率的方法之一是限制應(yīng)用如計(jì)算機(jī)顯示器、LCD或PDP電視等的待機(jī)功率。待機(jī)模式是指當(dāng)產(chǎn)品處于無(wú)源或睡眠模式中,即相對(duì)于有源或工作模式。國(guó)際能源署 (International Energy Agency,IEA)指出,產(chǎn)品未使用時(shí)的待機(jī)功耗占總功耗的5-10%。中國(guó)、美國(guó)、韓國(guó)以及日本都已有限制電子產(chǎn)品待機(jī)功率的相關(guān)規(guī)范,因此半導(dǎo)體供應(yīng)商需要推出能滿足這些待機(jī)要求的電源解決方案。飛兆半導(dǎo)體的功率開關(guān)(FPS)通過(guò)進(jìn)入間歇工作模式來(lái)大幅降低待機(jī)功耗,從而解決這一難題。在便攜式設(shè)備中,開機(jī)時(shí)間(上電時(shí)間)非常重要。飛兆半導(dǎo)體的uSerDes器件通過(guò)改進(jìn)發(fā)射器和接收器之間的同步技術(shù),可提供快速的開機(jī)功能。
除了在待機(jī)時(shí)節(jié)能之外,多個(gè)組織和官方機(jī)構(gòu)正對(duì)器件的正常操作也加以功率限制。例如,有規(guī)范建議視頻磁帶錄像機(jī)(VCR)和可錄DVD播放機(jī)在開機(jī)模式下的功耗不得大過(guò) 15W。為了滿足這些規(guī)范,在正常工作模式下的電源效率因而需要提高。其中一個(gè)方法是減少開關(guān)器件的開關(guān)損耗,以及在電源設(shè)計(jì)中引入準(zhǔn)諧振反激 (quasi-resonant flyback)等拓?fù)鋪?lái)降低傳導(dǎo)和開關(guān)損耗。飛兆半導(dǎo)體的全球功率資源 (Global Power Resource)設(shè)計(jì)中心提供了開發(fā)并制造這些拓?fù)涞膶I(yè)能力。這些功率設(shè)計(jì)中心(當(dāng)中三家位于中國(guó))擁有實(shí)力雄厚功率專家隊(duì)伍,與客戶密切合作以開發(fā)高效的電源設(shè)計(jì)。
飛兆半導(dǎo)體特為高、中及低功率應(yīng)用如VCR、SVR、機(jī)頂盒、DVD和DVCD播放器、打印機(jī)、傳真機(jī)、掃描儀等,提供完整的 AC/DC 開關(guān)模式電源解決方案。這些解決方案有助于提高效率、降低待機(jī)功率,并滿足業(yè)界的1瓦倡議要求。飛兆半導(dǎo)體的綠色功率開關(guān)(Green FPS)產(chǎn)品提供先進(jìn)的待機(jī)功率,并支持業(yè)界的 1瓦倡議和功率因數(shù)校正IC,從而提升系統(tǒng)效率。
飛兆半導(dǎo)體的高電壓柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器IC(HVIC)采用創(chuàng)新的噪聲消除電路,提供卓越的抗噪性能,能夠提高系統(tǒng)的可靠性。與常用以光耦合器或脈沖變壓器為基礎(chǔ)的解決方案相比,HVIC解決方案能節(jié)省至少50%的PCB面積。這種業(yè)界領(lǐng)先的高端驅(qū)動(dòng)器工作于擺幅達(dá)-9.8V(VBS=15V)的負(fù)VS范圍,能保護(hù)HVIC免受負(fù)噪聲干擾。至于同類競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品則需要使用額外的二極管來(lái)提供這種保護(hù)。飛兆半導(dǎo)體的HVIC產(chǎn)品具有業(yè)界最低的靜態(tài)電流,故功耗極低,而且它的電子性能溫度依賴性是市場(chǎng)上最低的,保證了在各式應(yīng)用中也能穩(wěn)定地工作。這些高電壓柵級(jí)驅(qū)動(dòng)器IC可用于逆變器電機(jī)、PDP、HID逆變器、半橋SMPS、CCFL背光逆變器、鎮(zhèn)流器和D類音頻放大器中。
在超便攜式應(yīng)用中,如手機(jī)、PDA及數(shù)碼相機(jī)等,飛兆半導(dǎo)體提供一系列性能卓越的功率管理產(chǎn)品。作為飛兆半導(dǎo)體功率管理解決方案的一員,IntelliMAX系列是 50mA-400mA的先進(jìn)負(fù)載管理產(chǎn)品,導(dǎo)通阻抗RDS(on)的典型值在0.130到0.750歐姆之間,并具有反向電流阻斷功能。這些器件把功率管理開關(guān)與多個(gè)關(guān)鍵保護(hù)及控制功能集成在一起,可降低最新一代電池供電設(shè)備功率管理設(shè)計(jì)中的電路板占位面積、組件數(shù)及復(fù)雜度。這種獨(dú)特的保護(hù)、控制與故障監(jiān)控功能組合為要求快速上市的產(chǎn)品應(yīng)用,提供了簡(jiǎn)單及節(jié)省空間的解決方案,而且不會(huì)影響設(shè)計(jì)性能。
飛兆半導(dǎo)體的 µSerDes串化器/解串器采用超緊湊型封裝,為超便攜式及消費(fèi)應(yīng)用提供高速、低功耗和低噪聲性能。這些器件以靈活、易用的接口提供雙向通路,并可支持像素 (如 RGB、YUV)、微控制器和其它架構(gòu)。這些器件具有極低的功耗和 EMI,可同時(shí)減少系統(tǒng)組件包括線纜、濾波器和屏蔽等。典型應(yīng)用包括手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、LCD 顯示器、打印機(jī)以及任何與柔性電纜接口及要求低 EMI 的設(shè)備。
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體亞太區(qū)便攜式設(shè)備電源管理產(chǎn)品市場(chǎng)經(jīng)理
照目前的市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)看,自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)將會(huì)日趨普及,逐漸取代動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)。此外,目前市場(chǎng)上又同時(shí)冒出另一種新一代的電源管理技術(shù)。這種技術(shù)采用數(shù)字控制環(huán)路控制供電電壓,因此又稱為數(shù)字電源管理技術(shù)。但目前這個(gè)市場(chǎng)仍在初期的發(fā)展階段,美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體將會(huì)積極推動(dòng)這個(gè)新市場(chǎng)的發(fā)展,讓更多用戶清楚了解數(shù)字電源管理技術(shù)的真正價(jià)值。
美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體與嵌入式控制技術(shù)的市場(chǎng)領(lǐng)導(dǎo)者ARM公司一直攜手合作,于2003年成功開發(fā) PowerWise這種數(shù)字控制接口技術(shù)(PWI)。為了確保 PowerWise自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)可以通過(guò)PWI的數(shù)字控制接口進(jìn)行電源管理,美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體最近推出一款型號(hào)為 LP5550的能源管理單元。這款LP5550芯片設(shè)有 PWI 接口的從屬裝置以及PowerWise自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)的SPC1。部分特殊應(yīng)用集成電路單片機(jī)系統(tǒng)(SoC)除了采用 PowerWise 自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)之外,還內(nèi)置采用IEM技術(shù)的ARM核心。對(duì)于這類系統(tǒng)來(lái)說(shuō),LP5550芯片極為適用,而且可以確保系統(tǒng)發(fā)揮更高的性能。
此外,美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體還有動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù),這種技術(shù)最適用于CDMA手機(jī),尤其是3G手機(jī)的功率放大器。這種動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)系統(tǒng)利用內(nèi)置的降壓直流/直流開關(guān)穩(wěn)壓器提供動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)功能,以便為功率放大器提供穩(wěn)壓供電,因此這種供電系統(tǒng)也稱為功率放大器開關(guān)穩(wěn)壓?jiǎn)卧?簡(jiǎn)稱SuPA)。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的 SuPA 技術(shù)已發(fā)展至第三代,芯片本身不但體積小,而且效率高,這兩方面都比其它競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品優(yōu)勝。LM3202/3/4/5芯片的推出將會(huì)進(jìn)一步加強(qiáng)這系列功率放大器的產(chǎn)品陣容,使美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體成為市場(chǎng)上有最多型號(hào)可供選擇的功率放大器供應(yīng)商。
在高電壓應(yīng)用方面,美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的高壓電源管理產(chǎn)品系列最適用于汽車及工業(yè)電子系統(tǒng),因?yàn)檫@些高壓產(chǎn)品的輸入電壓范圍極為廣闊,即使沒(méi)有加設(shè)外置瞬態(tài)電壓抑制電路,廣闊的輸入電壓范圍也可為系統(tǒng)提供足夠的防護(hù)。如美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的LM3100 SIMPLE SWITCHER穩(wěn)壓器,便是業(yè)界首款適用于4.5V至 36V 輸入電壓范圍的1.5A單芯片同步降壓穩(wěn)壓器,其特點(diǎn)是采用獨(dú)特的結(jié)構(gòu),有助于簡(jiǎn)化電路設(shè)計(jì)。
設(shè)計(jì)復(fù)雜的數(shù)字負(fù)載必須有快速的瞬態(tài)響應(yīng)。LM3100 穩(wěn)壓器芯片采用高性能的固定開啟時(shí)間 (COT) 結(jié)構(gòu),因此響應(yīng)非常敏捷。此外,這款芯片還采用正在申請(qǐng)專利的獨(dú)家飛輪電流注射控制 (FCIC) 技術(shù),因此即使搭配陶瓷輸出電容器一起使用,也無(wú)需為等效串聯(lián)電阻提供額外補(bǔ)償。這款芯片的輸入電壓前饋功能可以抑制線路瞬態(tài),確保即使利用無(wú)穩(wěn)壓電源供應(yīng)進(jìn)行操作,開關(guān)頻率也可幾乎恒定不變。最適用于多種不同的負(fù)載及應(yīng)用,其中包括 FPGA、數(shù)字信號(hào)處理器、數(shù)字特殊應(yīng)用集成電路、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、電子游戲、音像系統(tǒng)、醫(yī)療設(shè)備及工業(yè)系統(tǒng)。
所有電子產(chǎn)品都由電力推動(dòng)。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體在擬芯片市場(chǎng)上一直居領(lǐng)導(dǎo)地位,致力開發(fā)信號(hào)路徑及電源管理技術(shù)。未來(lái),我們將強(qiáng)調(diào)提供全方位信號(hào)路徑解決方案,讓OEM廠商可以根據(jù)不同電子產(chǎn)品信號(hào)路徑系統(tǒng)的要求,選擇最適用的電源管理解決方案。
安森美半導(dǎo)體亞太區(qū)模擬產(chǎn)品經(jīng)理蔣家亮先生
隨著各種終端產(chǎn)品的日益普及和功能的不斷增加,電源及電源管理技術(shù)也隨之呈現(xiàn)出新的發(fā)展趨勢(shì),主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:
首先,隨著環(huán)保意識(shí)的增加,低能耗設(shè)計(jì)越來(lái)越受到廠商、消費(fèi)者和各國(guó)政府的關(guān)注,高能效電源設(shè)計(jì)正在成為影響電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)之一。
其次,電源設(shè)計(jì)周期加快、低待機(jī)功耗、高能效以及減小占位面積的要求正在改變傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)方法,電源管理設(shè)計(jì)的創(chuàng)新勢(shì)在必行,并要求電源芯片供應(yīng)商能夠提供完整技術(shù)解決方案,而不是單純的產(chǎn)品。
最后,由于現(xiàn)代技術(shù)發(fā)展的快速與復(fù)雜性,需要幾個(gè)公司的共同合作才能實(shí)現(xiàn)某項(xiàng)技術(shù)的速上市。
作為全球領(lǐng)先的電源管理芯片方案廠商,安森美一直非常重視技術(shù)研發(fā),為此投入大量資金和人力,并依靠這些新技術(shù)不斷提供能夠滿足客戶需求的新解決方案,例如臺(tái)式機(jī)80+整體解決方案、諧振可控PFC控制器NCP1381,適合多路輸出提高線性調(diào)整率的次級(jí)控制器NCP4326等。
安森美半導(dǎo)體將于今年推出的一款低待機(jī)能耗電源控制器NCP1351采取固定導(dǎo)通時(shí)間(Ton),改變Toff來(lái)實(shí)現(xiàn)功率控制。這樣在輕載時(shí),電路會(huì)自動(dòng)延長(zhǎng)Toff從而可以“自然”降低待機(jī)能耗。NCP是輔助電源、打印機(jī)、低成本適配器等中小功率應(yīng)用的理想選擇。
同樣,先進(jìn)的解決方案也離不開領(lǐng)先技術(shù)的支持。安森美在電源管理方面有很多領(lǐng)先技術(shù),如跳周期待機(jī)模式、PWN控制器主控PFC(輕載時(shí)關(guān)閉PFC以求降低待機(jī)功耗)。此外,將諸多功能集成芯片內(nèi)部,如DSS(動(dòng)態(tài)自供電)、頻率抖動(dòng)、Soxyless(無(wú)線圈去磁檢測(cè))等,可以起到簡(jiǎn)化外圍電路設(shè)計(jì)作用,也相應(yīng)減少了功率損耗。
此外,節(jié)能是安森美半導(dǎo)體的重要發(fā)展戰(zhàn)略。安森美開發(fā)的高效節(jié)能解決方案完全符合中國(guó)“十一五規(guī)劃”對(duì)節(jié)能環(huán)保的要求。作為中標(biāo)認(rèn)證中心唯一的節(jié)能芯片技術(shù)伙伴,安森美還積極參與和支持中國(guó)中標(biāo)認(rèn)證中心的節(jié)能活動(dòng),推動(dòng)實(shí)施高效節(jié)能電源、低待機(jī)能耗產(chǎn)品在中國(guó)市場(chǎng)的應(yīng)用。
安森美半導(dǎo)體一直與便攜、計(jì)算、消費(fèi)及汽車等市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)廠商保持緊密合作,了解他們的應(yīng)用需求,并協(xié)助他們開發(fā)領(lǐng)先行業(yè)的產(chǎn)品,比如微軟的Xbox和蘋果公司的iPod充電器就分別采用了安森美的直流-直流解決方案和高性價(jià)比低功耗的適配器解決方案。重點(diǎn)說(shuō)來(lái),安森美半導(dǎo)體在以下幾個(gè)方面都有不錯(cuò)的表現(xiàn):
在降低待機(jī)能耗方面,安森美半導(dǎo)體的開關(guān)電源(SMPS)適配器NCP12XX系列,廣為世界各地的領(lǐng)先廠商采用。
在直流-直流(DC-DC)方面,安森美半導(dǎo)體成功開發(fā)創(chuàng)新雙緣脈沖寬度調(diào)制控制器并將其推銷市場(chǎng)。創(chuàng)新的雙沿(Dual-Edge)PWM控制器技術(shù),比業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的單沿控制(Single-Edge Control)有更快的瞬變負(fù)載響應(yīng),提供更小和更好的性價(jià)比的電源系統(tǒng)。該技術(shù)將協(xié)助直流-直流轉(zhuǎn)換電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,為計(jì)算與消費(fèi)電子應(yīng)用帶來(lái)高效有源模式能效。
在背光/音頻方面,安森美半導(dǎo)體的NCP5006/5007升壓轉(zhuǎn)換器,精簡(jiǎn)了彩色LCD的白色背光LED驅(qū)動(dòng)電路,提供體積小且效率高的背光驅(qū)動(dòng)方案。
此外,安森美半導(dǎo)體是首家及唯一一家獲得美國(guó)80 PLUS(計(jì)算機(jī)電源效率達(dá)80%以上的認(rèn)證項(xiàng)目)認(rèn)證的芯片公司,是80+ ATX市場(chǎng)的領(lǐng)導(dǎo)者。
Maxim公司電源產(chǎn)品線經(jīng)理
經(jīng)歷了數(shù)十年發(fā)展歷程的開關(guān)電源技術(shù),目前已經(jīng)很難出現(xiàn)新型拓?fù)?,我們似乎已?jīng)發(fā)掘出了各種可能的開關(guān)電源拓?fù)?。每種拓?fù)涓饔袃?yōu)勢(shì),當(dāng)然,也存在相應(yīng)的問(wèn)題。正確的拓?fù)溥x擇完全由應(yīng)用決定。
電源設(shè)計(jì)與其它產(chǎn)品一樣,也需要小尺寸、高可靠性、高集成度和低成本,不同的是電源產(chǎn)品的應(yīng)用領(lǐng)域極為廣泛,幾乎所有的電路板都需要電源管理器件。不同應(yīng)用對(duì)電源的性能要求不盡相同,例如:汽車引擎,要求電源能夠工作在125℃的環(huán)境溫度;蜂窩電話、數(shù)碼相機(jī)則要求在極小的尺寸內(nèi)提供整個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)的供電電路。
手持產(chǎn)品,如:蜂窩電話/PDA、DSC等,尺寸和效率是關(guān)鍵指標(biāo)。小電流允許在小封裝內(nèi)集成多種電壓輸出的電源,有些情況下,這種電源的外形尺寸幾乎與裸片尺寸相同。雖然電源設(shè)計(jì)采用的是傳統(tǒng)拓?fù)?,但是,利用新工藝可以降低靜態(tài)電流、提高輕載和重載下的轉(zhuǎn)換效率。MAX1566即是一個(gè)典型范例,為數(shù)碼相機(jī)提供完整的供電方案。
在電信/數(shù)據(jù)通信/服務(wù)器應(yīng)用領(lǐng)域,多電源電壓和大電流需求推動(dòng)著電源技術(shù)向小尺寸、高集成度方向發(fā)展。隨著系統(tǒng)功能的增多,為了保證系統(tǒng)在任何情況下正常運(yùn)轉(zhuǎn),需要故障監(jiān)視和智能化的故障處理能力。冗余技術(shù)在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域已經(jīng)不是一個(gè)新的概念,然而,當(dāng)一組冗余電源出現(xiàn)故障時(shí),對(duì)系統(tǒng)故障的智能化管理則是一項(xiàng)全新技術(shù)。目前,有些系統(tǒng)可能安裝在建筑物附近,需要從遠(yuǎn)端進(jìn)行系統(tǒng)管理和監(jiān)視,從而省去了繁瑣的人工現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)。另外,新型電源設(shè)計(jì)對(duì)精度的要求也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)設(shè)計(jì),小的幾何尺寸處理工藝能夠滿足先進(jìn)處理器和通信產(chǎn)品對(duì)GHz時(shí)鐘的需求,但它也帶來(lái)了一個(gè)新的問(wèn)題:由于供電電壓非常低,因此對(duì)電壓容限的要求非??量?。一個(gè)好的設(shè)計(jì)必須能夠提供精密電壓,同時(shí)還可監(jiān)視電源電流和溫度,并且根據(jù)用戶的要求進(jìn)行故障管理,在不需要任何硬件改動(dòng)的前提下更新輸出。MAX8688為該類產(chǎn)品的一個(gè)典型范例,電壓精度達(dá)0.2%,可監(jiān)視電壓、電流和溫度,具有多級(jí)故障保護(hù)和告警檢測(cè),能夠在故障發(fā)生之前對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)化管理。利用數(shù)字通信功能還可以重新配置器件。
集成度是電源應(yīng)用的另一重要因素,一個(gè)典型系統(tǒng)常常需要在一塊電路板上提供15種不同的電源電壓,并要求較高的負(fù)載電流。Maxim針對(duì)這種應(yīng)用提供了一系列功能豐富的產(chǎn)品,能夠利用集成MOSFET提供大的負(fù)載電流。例如,MAX8566可連續(xù)輸出10A電流,采用微小的5mm x 5mm TQFN封裝。我們的一些新產(chǎn)品將提供更大的功率(電流高達(dá)25A),采用多相工作模式,允許用戶設(shè)置不同級(jí)別的電流輸出能力,從1A到200A,內(nèi)置MOSFET,微型封裝。
瑞薩科技公司Group Manager土方浩行
電源集成電路(IC)呈現(xiàn)出以下趨勢(shì):
(1)一種趨勢(shì)是向著更低的電壓和更低的功耗方向發(fā)展
(2)更高的效率
(3)負(fù)載波動(dòng)的迅速響應(yīng)(少于5μs)
(4)外部元件數(shù)量的減少
(尤其是,相位補(bǔ)償元件正在被集成到集成電路中)
(5)高速PWM(4MHz或更高)
(6)與其他線性集成電路的結(jié)合
到目前為止,瑞薩科技已實(shí)現(xiàn)了第(1)到第(3)項(xiàng)。
2006財(cái)政年度上半年,瑞薩科技將實(shí)現(xiàn)第(4)和第(5)項(xiàng)。
制造工藝方面的發(fā)展趨勢(shì):
(1)0.5μm BiC-DMOS(BiCMOS+雙擴(kuò)散MOS)
(2)0.35μm高壓CMOS
(3)0.25μm SOI(硅絕緣體)
(4)0.25μm BiC-DMOS
到目前為止,瑞薩科技已發(fā)布了采用第(1)項(xiàng)到第(3)項(xiàng)技術(shù)的產(chǎn)品。
目前,瑞薩科技已開始了以下新產(chǎn)品的批量生產(chǎn):
1.具有快速響應(yīng)能力和高效率的DC-DC轉(zhuǎn)換器
•多通道DC-DC轉(zhuǎn)換器:M62299FP有7個(gè)輸出通道,可用于數(shù)碼相機(jī)
•單通道DC-DC轉(zhuǎn)換器:R2A20101可用于移動(dòng)電話的功率放大器
2.包括過(guò)壓保護(hù)(OVP)、環(huán)路中斷檢測(cè)、在瞬時(shí)中斷時(shí)PWM可連續(xù)工作及具有其他功能的功率因數(shù)校正集成電路
•PFC(功率因數(shù)校正):HA16174可支持幾百瓦到數(shù)千瓦的功率
評(píng)論