电源管理芯片：应用领域扩展 技术创新提速

在电子产品中，电源管理芯片扮演着非常重要的角色。除了对功耗要求十分严格的便携式产品之外，平板显示器驱动IC、背光LED驱动IC、充电装置等也都成为模拟IC企业关注的领域，如何通过更低耗电的设计以减少电力的消耗已成为诸多厂商努力的方向。

 

主持人冯晓伟

 

飞兆半导体公司企业市场总监ClaudiaInnes

 

节能环保政策激励半导体设计创新

 

对电源管理而言，不同的应用不仅需要不同的功率水平，还对功率运送到负载电路的方式提出不同的要求。例如，RF(射频)、视频和音频电路常常需要非常清洁的总线电压，因此，许多这类应用将使用线性调节器来生成所需的总线电压。线性调节器不会产生开关电源所具有的噪声，然而，其代价是效率较低。

 

基于电容的开关电源，有时称作电荷泵，通常用于效率很重要但功耗相对较低的应用。其成本通常低于基于电感方式的开关电源，由于大部分电路可以集成在IC（集成电路）中，因此设计更容易。基于电容的开关电源的效率高于线性调节器。不过，其应用的数量有限，原因在于可输送的功率较低。

 

基于电感方式的开关电源用于功率水平和效率较高的应用，由于线性调节器或充电泵均不提供隔离，所以需要电气隔离的应用也需要使用电感型开关电源。基于电感方式的开关电源设计通常最复杂，且会产生电气噪声。然而，如果需要高效率或电气隔离，它们的使用是必需的。

 

功率管理芯片使用了模拟电路，如放大器、参考电压和栅极驱动电路，而不像数字次级电路。因此，较高的集成度必须来自次级电路，有可能采用数字实施方式（如监控事务管理电路）来完成数字回路控制。

 

尽管目前全球半导体产业正在低谷中徘徊，但半导体供应商可以避开低价竞争的恶性循环，为设计人员、系统和应用提供价值。随着自愿性和强制性能效规范的出现，需要开发能效尽可能高的应用。由于消费者偏爱具有丰富功能和更轻、更薄、更小的便携式设备，半导体供应商需要节省PCB（印制电路板）面积，并提供更智能的节省电池电能的方法。

 

飞兆半导体在这个市场中别具一格，开发能显著节省功率和空间的IC产品，面向众多不同的市场。飞兆半导体的整套功率开关、功率MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）、IGBT（绝缘栅双极晶体管）、PWM（脉宽调制）IC、PFC（功率因数校正）IC、HVIC（高压集成电路）、光耦合器、参考电压和LDO（低压差线性稳压器）在提高效率、降低电源的待机功耗、尺寸和成本方面发挥着重要的作用。

 

在照明应用中，飞兆半导体的镇流器控制IC、IGBT、MOSFET、HVIC、PFC/PWM控制器、绿色FPS产品和光耦合器，能够提高效率、延长系统寿命，并提供更大的灵活性。

 

飞兆半导体是业界领先的电机应用的高性能分立和高集成度模块解决方案供应商，在电机应用中，其功率MOSFET、Motion-SPM（运动智能功率模块）产品、光耦合器、功率开关、HVIC、STEALTH二极管和双向可控硅能够提高效率、简化设计并降低系统成本。

 

节能和环境保护的相关政策继续激励半导体设计的创新，将减少能量浪费，开发使用环保材料制造IC的巨大商机。飞兆半导体将继续发明新的方法，推动实现更高的效率水平，从而加快提高电源效率的相关技术的应用。

 

飞兆半导体公司的绿色FPS功率开关FSFR2100能够在电信电源、高端音频放大器、大型激光打印机和液晶及等离子电视电源等谐振转换器设计中，显著提高效率。较之于传统的硬开关转换器拓扑，FSFR2100的效率提高了10%，当用于等离子电视等应用时效率更高达97%。FSFR2100采用ZVS（零电压开关）技术，能显著降低开关噪声，与硬开关技术相比至少降低5dB。采用这种技术，能够大幅降低MOSFET和整流器的开关损耗，FPS开关无需散热器即可处理高达200W的功率，使用散热器更可处理高达450W的功率。通过间歇工作模式，FSFR2100能将待机功耗减小至1W以下，轻易满足业界的1W倡议要求。

 

飞思卡尔半导体(中国)有限公司

 

SMARTMOS技术实现“智能集成”

 

2008年，全球模拟半导体的市场总值约为430亿美元。未来3年，亚洲模拟半导体市场将以每年15%的速度进行增长，其中中国和印度的增长速度有望超过20%。模拟构造块的最大一个类别仍将是无线细分市场和日常的电压和参考市场，如分散和大量市场中的DC-DC、交换机模式供应和线状调节器。此外，更多的模拟器件将结合应用程序中的两种或多种模拟功能，为具体电子设计提供优化的更低系统成本解决方案，如无线、便携式或PC（个人电脑）产品中的电源管理单元。

 

因此，中国的PMIC（电源管理电路）将有更快的增长，因为很多消费细分市场将包含一个具有电源管理的PMU（电源管理单元）器件、PMIC或者ASSP（专用标准产品）。行业分析家认为，手机市场在2007年已超过1亿部，数码相机份额将随着越来越多的OEM移到中国而提升。因此，PMIC肯定会是一个主要增长的细分市场。

 

为了充分利用这一增长优势，飞思卡尔利用已经建立在这一地区的设计中心和销售办事处，使自己处于十分有利的位置。例如，去年我们刚刚启用了上海设计/应用程序中心，使我们仅在中国一地的员工人数就超过3000人。这将为飞思卡尔的客户提供快速、全面的系统级解决方案和应用程序工程支持功能，以满足消费、工业和网络市场中的模拟电源管理需求。

 

此外，飞思卡尔凭借其获奖的SMARTMOS技术位于模拟、混合信号和电源产品中的技术领先地位。飞思卡尔的SMARTMOS技术把高密度、高速逻辑电路与精确的模拟、高电压和高电流功率电路相结合。这种技术和器件的结合优势能够使飞思卡尔推出高性能的模拟和混合信号产品，这些产品的制造可提供可靠、有效和经济高效的解决方案，以适应电源管理市场。

 

芯片的集成度是其性能和价值的重要表现之一。为了进一步增强在模拟市场上的竞争力，飞思卡尔的SMARTMOS技术可以将高密集度、高速逻辑和精密模拟、高电压高电流的电源电路集成在一个芯片上。这种“智能集成”可以帮助开发出高度灵活的模拟产品，降低成本，减少设备空间和系统设计复杂性。

 

飞思卡尔拥有业内最广泛的8位微控制器系列产品，该产品与电源管理集成电路一起形成封装级的解决方案和单一芯片专用半导体产品(ASSP)。

飞思卡尔利用先进的模拟技术和在汽车和手机市场上的成功经验，正在扩充其模拟产品系列，满足高速增长的新兴市场和电子消费品应用的需求。为了充分利用这些机会，飞思卡尔正在重点推进的技术研发工作包括：数码相机的马达控制和电源管理，普通及特殊应用DC-DC转换器，液晶显示的LED（发光二极管）背光和电源管理，采用锂离子电池供电的器件的电源管理解决方案，便携式媒体播放器的电源管理，数据密集型计算、联网和海量存储应用的电源管理，联网应用中的以太网供电(PoE)产品。

 

由此可以看出，飞思卡尔在模拟产品开发、流程技术和设计资源方面正在进行战略性投资，希望抓住模拟市场迅速发展的这一机会。

 

飞思卡尔在下一代SMARTMOS技术上也进行了大量投资，并正在利用该技术将数字、模拟和电源管理电路结合到面向电子消费品市场的高度集成且极具市场竞争力的解决方案中。

 

安森美半导体亚太区电源管理部市场推广经理蒋家亮

 

电源管理芯片供应商应体现独特价值

 

随着电源管理电路的密度变得越来越小而性能变得越来越高，如果外部元件太多，则不能支持更多功能。例如，为了实现良好的待机性能，可能需要集成一定数量的运算放大器和比较器来使脉宽调制(PWM)操作转变至跳周期工作模式。这就是为什么高集成度也是电源管理应用发展趋势的原因。另外一个观点是电源管理IC的成本。特别是在本世纪最初的这10年，电源管理技术的演进极具挑战性，每家半导体公司都积极努力地开发高性价比而内部功能未被牺牲的电源管理IC。因此，我们可以想象出电源管理应用的技术演进将是朝高性价比和高性能方向发展。

 

从市场角度而言，电源管理芯片的设计人员应当了解市场演变趋势、有关能效的国际标准以及重要客户的专有规范及其背后的设计哲学(形状、适应性和功能等)，从而满足特定应用要求，例如美国苹果公司就对产品订立了严苛的规范要求。从技术角度而言，设计人员应当设计高密度的IC技术、高能效的电路模块等，同时不损及IC对环境噪声的免疫性能。

 

线性电源是一种比较简单的电源转换器，将高输入电压转换为低输出电压，而输入电流等于输出电流。线性电源的优势包括电路简单、设计简单直接、噪声低、IC芯片尺寸小及静态电流低，其劣势则包括电源损耗较多、能效较低(仅达35%～50%)、变压器重量较大、难以应用在需要高能效的大功率或高密度电源中。

 

与线性电源不同，开关电源或开关稳压器重复切换“开”和“关”状态，其能效高、重量轻，但开关电源的设计复杂度高，整体解决方案外形较大，需要导通元件、电感、二极管和电容等，在电磁干扰噪声、环路稳定性等方面需要仔细处理，适合高能效和高密度电源设计。根据能量存储元件的不同，开关电容主要包括电感升压驱动器和电荷泵/开关电容驱动器这两种类型。

 

某些新的高能效封装技术也可能帮助实现更高密度，提高器件性能。例如，QFN（四方无引脚扁平封装）或DFN（双侧引脚扁平封装）封装已经展示出它们在高密度设计方面的应用优势。

 

这些封装提供良好的热性能，使得热量可以从封装本身扩散至PCB布线区域，这样一来，一方面可以保持设计的尺寸最小，另一方面能够消除体积较大的散热片。此外，在诸如低压MOSFET这样的应用中，新的扁平引线技术能够在MOSFET上实现体积更小的封装及更高的密度，与此同时能够免除使用寄生元件(杂散电感和电容)，这将帮助消除某些外部缓冲器电路，从而减少元件数量，实现更高能效。

在半导体产业调整进程中成功的关键就是销售出半导体公司及其技术的独特价值，如提供成套解决方案以及为客户提供出色的技术支持等。身为全球领先的电源管理半导体供应商，安森美半导体在为客户提供成套解决方案及出色客户服务方面拥有丰富的经验和突出的优势。

 

展望中国电源管理市场未来几年的发展，我们认为消费电子(如液晶电视和白家电)以及电信等应用领域可为电源管理IC带来广阔的发展空间。安森美半导体提供高性能的解决方案，用于这些领域。

 

美信集成产品公司

 

新型封装技术提升LDO性能

 

不同的系统对电源有不同的要求，为了发挥系统的最佳性能，需要选择最适合的电源管理方式，比如线性电源、开关电源及电荷泵等。三种电源转换器中，线性稳压器的局限性表现在其输出电压只能低于输入电压；开关电源最为通用，能够提供升压、降压以及极性相反的输出；电荷泵同样可提供升压、降压、极性相反的输出，但其输出电流有限。

 

线性稳压器利用一个有源调整元件(双极型晶体管或MOSFET)将输入电压降低至稳定的输出电压，其中低压差线性稳压器(LDO)在最近几年的应用已经十分广泛。压差指维持输出稳定所需要的最小电压差(输入和输出之间)，压差在1V以内的调节器称为LDO，但现在典型的调节器具有100mV至300mV的压差。线性稳压器的输入电流接近于输出电流，可以用输出电压与输入电压的比估算它的效率。如果输出电压非常接近输入电压，线性稳压器就可提供较高的转换效率，如果输入电压高出输出电压很多，或者它在很宽的范围内变动，就很难获得比较高的转换效率。线性稳压器具有小尺寸、低成本、低噪声等特点，而且使用非常简单，因此，在电压、电流条件适当时应尽可能选用线性稳压器。除此之外LDO还可作为一道屏障来隔离开关调节器产生的噪声，这时，LDO的低压差特性有利于改善电路的总体效率。

 

与线性稳压器相比，开关电源占用更大的电路板面积(不考虑线性稳压的散热片)，成本更高，所产生的噪声也较大。而在最近几年开关电源的普及率却大大提高了，其主要原因是开关电源在不同输入电压、不同负载电流条件下能够提供很高的转换效率，升压、降压型开关电源效率可达96%，当然，降压型开关电源的转换效率可能更高一些。用电荷泵同样可实现上述转换，但该类芯片所能提供的负载电流有一定的局限性。LDO的主要缺陷是效率较低，特别是为低压电路供电时效率问题更加突出。由于在新型手机内部集成了PDA功能或上网功能，要求处理器的数据处理能力、运算能力更加强大，为了降低功耗，处理器的核电压不断降低，从1.8V降到了0.9V。为了降低电池损耗，要求采用高效的降压型转换器为处理器核供电。设计中需要考虑的主要因素有：低成本、小尺寸、高效率、低静态(待机)电流和快速瞬态响应。为解决上述问题不仅需要丰富的模拟设计经验，还需要一定的独创能力。就目前来说，只有少数领先的模拟半导体制造商能够提供SOT23封装、具有1MHz以上开关频率、允许选用微小外部电感和电容元件的降压转换器。

当前，很多产品(如手机、数码相机等)倾向于将电源管理功能集成在单芯片上，用于射频、功放的LDO和用于LED驱动的DC-DC电源的功能都可以在同一块PMIC(电源管理集成电路)中得以实现。

 

多年以来，SOT23封装的150mALDO是分立电源的最佳选择。目前，一些IC采用新型封装、新型亚微米处理工艺和先进的设计方案，能够以更小的尺寸提供更高的性能。SOT23封装的LDO可以提供300mA输出电流或在SOT23封装内集成两路150mALDO；尺寸更小的SC70封装内可以集成120mA的LDO并提供超低噪声。此外，更为先进的芯片级封装提供最小的封装尺寸，而QFN封装则允许在3mm×3mm面积内装入最大的晶片尺寸并提供更高的导热能力。因此，QFN封装可以集成更高电流的LDO或在每封装中集成更多数量的LDO，从而缩小了分立方案与PMIC之间的差异。

 

凌力尔特公司电源产品部产品市场经理TonyArmstrong

 

集成电源管理功能降低市场风险

 

线性低压差稳压器被认为是形式最简单的稳压器，由于其固有DC电压转换的原因，它只能把输入电压降至一个较低的数值。它最为明显的缺陷在于其热管理性能方面，原因是其转换效率可以被近似为输出电压与输入电压之比。例如：假设一个可从单节锂离子电池的3.6V标称电压来提供1.8V输出电压(在200mA电流条件下)的LDO，用于驱动一个图像处理器，转换效率仅为50%，因而在蜂窝电话的内部产生了热点，并缩短了电池的运行时间。虽然在输入和输出电压相差较大时会出现上述情形，但在该电压差很小的时候，情况就不是这样了。例如：当从1.5V降压至1.2V时，转换效率将为80%。

 

线性稳压器在输入和输出之间的差分电压很高时所存在的所有效率缺陷，开关稳压器都成功地避开了。通过采用低电阻开关和一个磁性存储元件，它实现了高达96%的效率，从而大幅度地降低了转换过程中的功率损耗。通过工作于高开关频率(>2MHz)，可以极大地缩减外部电感器和电容器的外形尺寸。尽管如此，开关稳压器的缺点却较少，而且常常可以利用上佳的设计方法予以克服。

 

线性稳压器和传统型开关稳压器的折中方案是充电泵。当采用充电泵时，外部存储元件是电容器，而不是电感器。由于没有电感器，因此将缓解有可能干扰敏感的RF接收器或蓝牙芯片组的任何潜在电磁干扰问题。不过，潜在的不足之处是有限的输入/输出电压比和有限的输出电流能力。

 

因此，对于设计师而言，是选择线性稳压器还是开关稳压器并不是一件可以简单决定的事情。要做出这个决定，将不得不考虑诸多的因素，例如噪声问题、空间约束条件、转换效率和热考虑。幸运的是，目前市面上已经有了众多不同类型的稳压器，于是，所有设计师必须完成的工作就是根据其独特的系统约束条件进行抉择。这些工作是按照常规程序进行的。

 

许多电源管理芯片厂商所开发的规模庞大且复杂的电源管理IC常常是专为某家单一大客户而定制的，凌力尔特公司认为，这种方法需要在性能上做出某些让步，并会由于开发周期漫长而蒙受巨大的商业风险，这样的策略与我们所服务的瞬息万变的市场是不相适应的。

 

凌力尔特采取了一种不同的方法，并开发出了一个新的IC产品线，该产品系列实现了“有意义的集成”，旨在整合电池供电型便携式设备中所有难以实现的功能。大多数电池供电型手持式产品一般均能够从一个AC适配器、一根通用串行总线(USB)电缆或单节锂离子/锂聚合物电池来供电；然而，对这些电源之间的电源通路控制进行管理却提出了一项重大的技术挑战。直到最近，设计师们一直试图采取“分立”的方式来执行该功能，但其间遇到了有可能引发重大系统问题的热插拔和大浪涌电流等可怕的难题。

 

显然，在大多数电池供电型手持式产品内部存在着共同的特点和功能，可采用实现了“有意义集成”的PMIC，而不会出现因为采用单一晶圆生产工艺来制造IC导致的常见性能折中。凌力尔特公司近期推出了该门类中的下一代产品———LTC35xx系列，该系列代表了面向这些应用的全新器件性能和功能水平。

 

TDK(中国)投资有限公司营业促进部经理富田裕文

 

力求产品小型化以减少耗电

 

电源电路技术属于模拟电路技术，其方向性与数字技术不同。数字技术的处理电压为低电压，不容易受安全规格等的制约，容易实现集成化；而电源电路的输入电压为交流100V～240V，在安全要求方面，由于受到沿面距离(爬电距离)的规定制约和干扰方面的规定限制，难以实现集成化。

 

另外，电源管理电路成本要求较高，所以多数人并不愿意接受随意实行集成化的要求。但由于机器小型化的需求丝毫不减，目前已经实现了IC(集成电路)和FET(场效应晶体管)的一体化。从装配角度而言，作为SMD(表面贴装)的部件，在铝电路板上需要装配部件，用树脂固型，绕线，电容、半导体、电阻等部件的集成化成了必然的趋势。

 

一般说来，为实现小型化，开关电源电路的高频率化是发展方向，但存在干扰、效率差等难以突破的难题。特别在变压器必须高频率化的前提下，在研讨电源控制芯片的小型化时，必须和变压器厂家协商好。

 

电源电路中使用具有寿命极限的电解电容器。电解电容器容易受热的影响，需要采用不易受热源影响的配置。目前正在采用3DCAD(三维计算机辅助设计)和热模拟器技术，以指导研制出更好的配置，并将其实现产品化。

 

关于变压器，TDK公司正在致力于小型化、薄型化的新产品开发。TDK正着手改良磁芯的材质、研讨薄型产品构造，改善发热现象的负面影响，并对产品进行综合评估，整体推动开发的进程。今后，为了实现开关电源的小型化，越来越需要将热分析、装配配置等作为考虑的因素。

 

TDK拥有铁氧体这种材料，可实现从材料到生产出变压器成品。现在，TDK公司正在开发各种用途的铁氧体材料，针对不同的用途，提供各具特色的产品。特别是在平板电视中使用了谐共振电路，电力浪费较少(低发热)的磁芯材料有望发挥其应有的功能。公司虽然拥有PC47材质，但为了进一步减少电力损失，正在谋求把传统的EER35形状的产品尺寸缩减成EER28L尺寸，以期在小型化方面进一步拉开与其他产品的差距。

 

随着变压器生产发展到自动化绕线阶段，产品的特性差异逐步缩小。通过自动化技术，可实现产品的稳定供给，减少了人为因素对品质和成本方面造成的影响。

 

TDK是针对变压器的特性要求进行产品设计的，所以构筑起一种体制，就是面对所有顾客都一律确保在较短交货期内提供设计上达到最佳性能的变压器产品，并提供设计对应服务和包括电路方面的支援服务体制。

 

TDK运用本公司的技术力量，开发出了3种与电源相关的新型零部件———“线性滤波器”、“PFC扼流圈”、“电源用变压器”(谐振式、回扫式)。传统电源电路板部件装配的高度为25mm～30mm，而将上述产品运用在平板电视的电源电路部位时，其电路板的装配高度可控制在15mm以下，从而实现了真正意义上的薄型化。

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