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揭开电源管理IC未来五年增速强劲之谜

随着数字高速IC技术和芯片制造工艺技术的共同高速发展,高性能电源IC的作用显得愈加重要。根据IC Insights的预测,电源管理IC市场预计将在2018年取得8%以上的增幅,从而成为未来五年模拟芯片增长的主要推动力之一。在这个电子产品应用日新月异、环保绿色节能需求不断增强的年代,电源IC的需求是什么?电源IC厂商有哪些最新的市场布局?本文将为您一一分析……

PI:集成必胜

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图1 PI公司市场副总裁Doug Bailey

电源转换效率提升,电源更小更紧凑,通过协议负载实现对电压电流的控制……这一系列的需求是IC市场上的创新驱动。Power Integrations(PI)公司市场副总裁Doug Bailey举例称,PI基于新型FLUXLINK技术的次级侧反馈器件由于高度集成,在一众竞争产品中脱颖而出的同时,仍然保持了较高的性价比。

“这是一个极佳的例证。”他说,那些看重品质控制、具备追踪系统及善于分析RMA的OEM厂商们都知道:电源失效往往是客户退货的首要原因,所以他们会花费更多的时间寻找更高质量的电源元件,不管是来自国内还是海外。而Power Integrations之所以能够成为高端品牌的代表,是因为“我们既关注性能,同时也关注产品的可靠性。”

众所周知,除了摩尔定律以外,半导体行业还有一条定律,就是—“集成必胜”—在一颗IC上将功能组合在一起产生的技术机会,比这些元件全部加在一起带来的机会更多。为此,Power Integrations在一个单一封装内集成了包括初级、次级和反馈链路器件,去掉了大量的分立及无源元件。如今市场面临MOSFET、MLCC及其他元件短缺的问题,但是如果使用这样的产品,则无需寻找价格极易波动的元件,从而可以极大地节省支出。另外,由于PI在中国已拥有并正扩大器件封装生产线,因此能够充分满足中国市场的销售需求,并从中获益。

PI的产品主要面向与主电源相关的应用。Doug Bailey表示,他们发现了手机充电器这一方向的良好增长,尤其是采用快充协议或USB-PD的手机充电器。同时,也看到了在HBA应用中的增长,提升了市场对了PI“无需零线”智能开关电源和低待机功率的智能LYTSwitch-6产品的需求。它们往往要求效率提升(尤其是在轻载条件下)以及更偏向体积紧凑,这些需求也正在驱动市场进步。

“散热片作为一个器件,它唯一的功能是将能量转换到环境中去。但我们认为使用散热片是一个‘设计缺陷’,因为这意味着开发人员已经设计了一个要浪费珍稀自然资源的电源。”在Doug Bailey看来,设计者有责任确保进入电源内的电能也能通过转换的形式再次出来,而不是作为热量被耗散掉。因此,提升效率并去掉散热片不但是发展趋势,也是驱动PI关注高效产品设计的根本原因。

ADI:1+1>2

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图2 ADI电源产品中国区市场总监梁再信

ADI和凌力尔特(Linear Technology)的合并可以说是半导体领域年度史上的一起重磅并购,ADI中国区总裁Jerry Fan曾表示,希望ADI通过这起并购从“行业领先”做到“一骑绝尘”,成为一家全球领先的高性能模拟行业领导者。

得益于高度互补的市场和技术实力,整合后的ADI一方面在大客户中加强了Linear产品新的扩充,另一方面,在Linear中小客户广泛的基础群中融入了ADI的产品和解决方案,并起用了全新的子品牌—Power By Linear。数据显示,ADI在收购Linear后,仅在工业市场相关产品的营收就高达28亿美元。

“三个维度”护航工业4.0

IHS Markit研究显示,2017年全球工业半导体产值为491亿美元,年增率11.8%。该机构预估,至2022年,工业半导体市场仍将持续增长,年复合成长率(CAGR)达7.1%,而ADI公司电源业务营收的40%+恰好来自于工业领域。

ADI电源产品中国区市场总监梁再信表示,工业4.0真正的本质和基础,是如何提供实时控制、软件可配制的I/O,以及所有这些设备的可靠性、安全性和健康运行。随着未来工业4.0设备和装置的智能化程度越来越高,灵活性、效率、通信、安全性和可靠性正成为非常关键的性能指标,因此ADI着重在高功效、小体积、低电磁干扰(EMI)这三个维度上提供强大支持和创新产品。

怎样减少系统的噪声和干扰,EMI是关键,而大部分的EMI问题源于电源干扰。梁再信列举了采用Silent Switcher技术的最新一代LT8614芯片。它不仅通过两个反向的电流环路优化磁场闭合路径,同时通过系统环路优化将上升沿的振铃控制得非常小,再加上其高度优化的封装工艺,其EMI相当低。除此之外,它还极大降低了纹波,解决了噪声问题,将系统的可靠性、稳定性都能做得极为出色。

“在机器人、工业控制、汽车领域,大部分客户对Silent Switcher技术都非常感兴趣。因为在过去,他们光是要解决EMI的认证问题就需要半年以上的时间,Silent Switcher技术的出现,极大加速了客户的产品上市时间。”梁再信说。目前,ADI Silent Switcher2 产品效率可达93%,满足CISPR25 Class 5 EMI的指标,以该系列产品中的LT8609为例,即使仅仅使用简单的2层板,也同样能够实现很低的EMI表现。

要想做出高集成度的电源产品,电路板小尺寸、薄型化等是关键方向。“做好电源模块,让产品设计工程师专注于做系统级设计,而不用花时间去调一个复杂的电源系统。”梁再信表示这是电源模块的关键点。他给出了某个系统IO和内核供电系统的示例,成功节省了30到100个的元器件数量,而且整个系统的可靠性也会得到提升。

比如 ADI µModule(微型模块)稳压器LTM4622,该产品采用纤巧的超薄型6.25 x 6.25 x 1.82mm LGA和6.25 x 6.25 x 2.42mm BGA封装,封装中内置了开关控制器、功率FET、电感器和支持组件,其高开关频率和电流模式控制的运用可实现针对电压和负载变化的非常快速瞬态响应,而并不牺牲稳定性。此外,四路4A电源模块整列LTM4644,输出可通过并联形成一个阵列以提供高达16A的电流能力,该电源模块的高效率设计使每个通道能够提供4A连续(5A峰值)输出电流,仅需大容量的输入和输出电容器。

驾驭安全汽车未来

无论对于电源管理、动力总成还是信息娱乐系统、车灯照明等等,在汽车电源产品领域的变迁过程中,“安全”始终是一个关键词,而在ADI提供的创新解决方案中,这一点可能反映为超低噪声(电磁干扰)、电池主动均衡和能量优化(安全驾驶更长距离)、高低压双向转换、新的浪涌和高压保护机制等等创新技术特性。

例如,针对汽车系统中越来越多的48V和12V电压共存问题,如何把一个48V电池组和12V电池组连接起来,实现双向供电,并对48V和12V系统进行管理,从而确保整个汽车系统的安全运行,就是LTC3871的设计思路。

梁再信解释说,48V系统的出现,是为了优化电缆和车身布线,但目前很多系统装备依然在短期内没法向48V系统迁移。因此相当一段时间内,会出现48V和12V系统共存的局面。而LTC3871能够提供非常好的稳定性和双向电压转换功能,已经成为新一代48V车载系统的标准配置。

从汽车系统的安全性和可靠性来讲,汽车还会因为电瓶和越来越复杂的系统而在启动时或受到意外干扰时会出现瞬间高压情况,而这很可能导致组件的坏损。传统的解决方案是增加PVS管,但存在体积偏大等缺点。而ADI的做法是采用Surge Stopper,通过反馈和MOSFET控制把瞬间脉冲的干扰电源尖峰部分全部消掉,确保输出电压在设定的标准范围之内,车身系统会更加安全。再结合可控的电源工艺,车身系统就不会因为意外的干扰造成组件损坏。

直面5G通信的电源设计挑战

5G通信系统不但需要非常高的功率密度,芯片功耗和如何提高转换效率也是亟待解决的问题。在梁再信看来,传统的DC/DC电源,由于MOSFET开关损耗和电感转换损耗的存在,效率无法在当前构架下取得突破性进展,ADI为此转换了设计思路,研发了没有电感的转换器LTC7820,从而一举将效率提升到99%以上。在此基础上,ADI又开发了综合了无电感高效变换器和高性能降压电路优点的混合型开关电源,可确保在输出电压随意调整的同时,依然将效率保持在97%以上。

ADI在通信应用的电源技术创新和调整方面还做了很多其它的改进:比如结合理想二极管的优点支持热插拔,能够让通信系统获得比以前更好的稳定性;通过带数字接口的电源管理系统可以记录每一路的电源状态、电压、电流、温度等,甚至可以控制输出的电压。尤其当系统不稳定时,可以通过带数字接口的电源管理系统(PSM)得知电路故障所在。因此,PSM的测量和输出的调整功能在通信领域越来越受到重用。

除了PSM,由于可以通过网线传输数据和电源,POE(Power over Ethernet)在通信领域的应用也受到了广泛的重视。随着5G基站容量越大,需要的功率也就越大,只有25.5瓦的国际标准显然越来越难以应对。为此,ADI率先推出了150瓦POE解决方案,成为通信领域强有力的技术平台。

助力发展高效、清洁、可靠的能源系统 

能源是关系国计民生的重要话题。无论对于智能电网、可再生能源生成和存储、企业能源管理、电动汽车充电桩基础设施等,能否提供良好的配套电源技术方案,成为衡量一家企业技术实力的标准之一。

在电力供应中,为了保证系统不断电,ADI提出用超级电容做备份电源,并为它提供完备的能量存储和管理方案。比如LTC3350,它可对四个法拉电容做监控,不仅能够对电容做平衡和充/放电管理,同时还补充电容的内阻,以及自动对所有电容做能量均衡,功能十分强大。针对国家电网传输塔上的FCI监控装置,ADI的做法是通过互感器或太阳能供电,再通过高性能MPPT最大功率点跟踪及充电管理器件的应用,使得电池可以在同样光照情况下获得最大的太阳能能量。

此外,ADI还在其它IoT方向也实现了很多重大突破。比如将振动、温差、光、磁场等变成需要的能量采集产品LTC3108/LTC3588;通过光学和运动检测、阻抗、生物电位和信号调理技术提高可穿戴生命体征监护(VSM)水平;通过精确的地理位置检测、智能数据采集和传感器融合技术实现实时自主决策、更高的资源效率、更简便的互联农场生态系统连接的智慧农场等。

原创
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