隨著數字高速IC技術和芯片制造工藝技術的共同高速發展,高性能電源IC的作用顯得愈加重要。根據IC Insights的預測,電源管理IC市場預計將在2018年取得8%以上的增幅,從而成為未來五年模擬芯片增長的主要推動力之一。在這個電子產品應用日新月異、環保綠色節能需求不斷增強的年代,電源IC的需求是什么?電源IC廠商有哪些最新的市場布局?
電源轉換效率提升,電源更小更緊湊,通過協議負載實現對電壓電流的控制……這一系列的需求是IC市場上的創新驅動。Power Integrations(PI)公司市場副總裁Doug Bailey舉例稱,PI基于新型FLUXLINK技術的次級側反饋器件由于高度集成,在一眾競爭產品中脫穎而出的同時,仍然保持了較高的性價比。
“這是一個極佳的例證。”他說,那些看重品質控制、具備追蹤系統及善于分析RMA的OEM廠商們都知道:電源失效往往是客戶退貨的首要原因,所以他們會花費更多的時間尋找更高質量的電源元件,不管是來自國內還是海外。而Power Integrations之所以能夠成為高端品牌的代表,是因為“我們既關注性能,同時也關注產品的可靠性。”
眾所周知,除了摩爾定律以外,半導體行業還有一條定律,就是—“集成必勝”—在一顆IC上將功能組合在一起產生的技術機會,比這些元件全部加在一起帶來的機會更多。為此,Power Integrations在一個單一封裝內集成了包括初級、次級和反饋鏈路器件,去掉了大量的分立及無源元件。如今市場面臨MOSFET、MLCC及其他元件短缺的問題,但是如果使用這樣的產品,則無需尋找價格極易波動的元件,從而可以極大地節省支出。另外,由于PI在中國已擁有并正擴大器件封裝生產線,因此能夠充分滿足中國市場的銷售需求,并從中獲益。
PI的產品主要面向與主電源相關的應用。Doug Bailey表示,他們發現了手機充電器這一方向的良好增長,尤其是采用快充協議或USB-PD的手機充電器。同時,也看到了在HBA應用中的增長,提升了市場對了PI“無需零線”智能開關電源和低待機功率的智能LYTSwitch-6產品的需求。它們往往要求效率提升(尤其是在輕載條件下)以及更偏向體積緊湊,這些需求也正在驅動市場進步。
“散熱片作為一個器件,它唯一的功能是將能量轉換到環境中去。但我們認為使用散熱片是一個‘設計缺陷’,因為這意味著開發人員已經設計了一個要浪費珍稀自然資源的電源。”在Doug Bailey看來,設計者有責任確保進入電源內的電能也能通過轉換的形式再次出來,而不是作為熱量被耗散掉。因此,提升效率并去掉散熱片不但是發展趨勢,也是驅動PI關注高效產品設計的根本原因。
ADI和凌力爾特(Linear Technology)的合并可以說是半導體領域年度史上的一起重磅并購,ADI中國區總裁Jerry Fan曾表示,希望ADI通過這起并購從“行業領先”做到“一騎絕塵”,成為一家全球領先的高性能模擬行業領導者。
得益于高度互補的市場和技術實力,整合后的ADI一方面在大客戶中加強了Linear產品新的擴充,另一方面,在Linear中小客戶廣泛的基礎群中融入了ADI的產品和解決方案,并起用了全新的子品牌—Power By Linear。數據顯示,ADI在收購Linear后,僅在工業市場相關產品的營收就高達28億美元。
IHS Markit研究顯示,2017年全球工業半導體產值為491億美元,年增率11.8%。該機構預估,至2022年,工業半導體市場仍將持續增長,年復合成長率(CAGR)達7.1%,而ADI公司電源業務營收的40%+恰好來自于工業領域。
ADI電源產品中國區市場總監梁再信表示,工業4.0真正的本質和基礎,是如何提供實時控制、軟件可配制的I/O,以及所有這些設備的可靠性、安全性和健康運行。隨著未來工業4.0設備和裝置的智能化程度越來越高,靈活性、效率、通信、安全性和可靠性正成為非常關鍵的性能指標,因此ADI著重在高功效、小體積、低電磁干擾(EMI)這三個維度上提供強大支持和創新產品。
怎樣減少系統的噪聲和干擾,EMI是關鍵,而大部分的EMI問題源于電源干擾。梁再信列舉了采用Silent Switcher技術的最新一代LT8614芯片。它不僅通過兩個反向的電流環路優化磁場閉合路徑,同時通過系統環路優化將上升沿的振鈴控制得非常小,再加上其高度優化的封裝工藝,其EMI相當低。除此之外,它還極大降低了紋波,解決了噪聲問題,將系統的可靠性、穩定性都能做得極為出色。
“在機器人、工業控制、汽車領域,大部分客戶對Silent Switcher技術都非常感興趣。因為在過去,他們光是要解決EMI的認證問題就需要半年以上的時間,Silent Switcher技術的出現,極大加速了客戶的產品上市時間。”梁再信說。目前,ADI Silent Switcher2 產品效率可達93%,滿足CISPR25 Class 5 EMI的指標,以該系列產品中的LT8609為例,即使僅僅使用簡單的2層板,也同樣能夠實現很低的EMI表現。
要想做出高集成度的電源產品,電路板小尺寸、薄型化等是關鍵方向。“做好電源模塊,讓產品設計工程師專注于做系統級設計,而不用花時間去調一個復雜的電源系統。”梁再信表示這是電源模塊的關鍵點。他給出了某個系統IO和內核供電系統的示例,成功節省了30到100個的元器件數量,而且整個系統的可靠性也會得到提升。
比如 ADI µModule(微型模塊)穩壓器LTM4622,該產品采用纖巧的超薄型6.25 x 6.25 x 1.82mm LGA和6.25 x 6.25 x 2.42mm BGA封裝,封裝中內置了開關控制器、功率FET、電感器和支持組件,其高開關頻率和電流模式控制的運用可實現針對電壓和負載變化的非常快速瞬態響應,而并不犧牲穩定性。此外,四路4A電源模塊整列LTM4644,輸出可通過并聯形成一個陣列以提供高達16A的電流能力,該電源模塊的高效率設計使每個通道能夠提供4A連續(5A峰值)輸出電流,僅需大容量的輸入和輸出電容器。
無論對于電源管理、動力總成還是信息娛樂系統、車燈照明等等,在汽車電源產品領域的變遷過程中,“安全”始終是一個關鍵詞,而在ADI提供的創新解決方案中,這一點可能反映為超低噪聲(電磁干擾)、電池主動均衡和能量優化(安全駕駛更長距離)、高低壓雙向轉換、新的浪涌和高壓保護機制等等創新技術特性。
例如,針對汽車系統中越來越多的48V和12V電壓共存問題,如何把一個48V電池組和12V電池組連接起來,實現雙向供電,并對48V和12V系統進行管理,從而確保整個汽車系統的安全運行,就是LTC3871的設計思路。
梁再信解釋說,48V系統的出現,是為了優化電纜和車身布線,但目前很多系統裝備依然在短期內沒法向48V系統遷移。因此相當一段時間內,會出現48V和12V系統共存的局面。而LTC3871能夠提供非常好的穩定性和雙向電壓轉換功能,已經成為新一代48V車載系統的標準配置。
從汽車系統的安全性和可靠性來講,汽車還會因為電瓶和越來越復雜的系統而在啟動時或受到意外干擾時會出現瞬間高壓情況,而這很可能導致組件的壞損。傳統的解決方案是增加PVS管,但存在體積偏大等缺點。而ADI的做法是采用Surge Stopper,通過反饋和MOSFET控制把瞬間脈沖的干擾電源尖峰部分全部消掉,確保輸出電壓在設定的標準范圍之內,車身系統會更加安全。再結合可控的電源工藝,車身系統就不會因為意外的干擾造成組件損壞。
5G通信系統不但需要非常高的功率密度,芯片功耗和如何提高轉換效率也是亟待解決的問題。在梁再信看來,傳統的DC/DC電源,由于MOSFET開關損耗和電感轉換損耗的存在,效率無法在當前構架下取得突破性進展,ADI為此轉換了設計思路,研發了沒有電感的轉換器LTC7820,從而一舉將效率提升到99%以上。在此基礎上,ADI又開發了綜合了無電感高效變換器和高性能降壓電路優點的混合型開關電源,可確保在輸出電壓隨意調整的同時,依然將效率保持在97%以上。
ADI在通信應用的電源技術創新和調整方面還做了很多其它的改進:比如結合理想二極管的優點支持熱插拔,能夠讓通信系統獲得比以前更好的穩定性;通過帶數字接口的電源管理系統可以記錄每一路的電源狀態、電壓、電流、溫度等,甚至可以控制輸出的電壓。尤其當系統不穩定時,可以通過帶數字接口的電源管理系統(PSM)得知電路故障所在。因此,PSM的測量和輸出的調整功能在通信領域越來越受到重用。
除了PSM,由于可以通過網線傳輸數據和電源,POE(Power over Ethernet)在通信領域的應用也受到了廣泛的重視。隨著5G基站容量越大,需要的功率也就越大,只有25.5瓦的國際標準顯然越來越難以應對。為此,ADI率先推出了150瓦POE解決方案,成為通信領域強有力的技術平臺。
能源是關系國計民生的重要話題。無論對于智能電網、可再生能源生成和存儲、企業能源管理、電動汽車充電樁基礎設施等,能否提供良好的配套電源技術方案,成為衡量一家企業技術實力的標準之一。
在電力供應中,為了保證系統不斷電,ADI提出用超級電容做備份電源,并為它提供完備的能量存儲和管理方案。比如LTC3350,它可對四個法拉電容做監控,不僅能夠對電容做平衡和充/放電管理,同時還補充電容的內阻,以及自動對所有電容做能量均衡,功能十分強大。針對國家電網傳輸塔上的FCI監控裝置,ADI的做法是通過互感器或太陽能供電,再通過高性能MPPT最大功率點跟蹤及充電管理器件的應用,使得電池可以在同樣光照情況下獲得最大的太陽能能量。
此外,ADI還在其它IoT方向也實現了很多重大突破。比如將振動、溫差、光、磁場等變成需要的能量采集產品LTC3108/LTC3588;通過光學和運動檢測、阻抗、生物電位和信號調理技術提高可穿戴生命體征監護(VSM)水平;通過精確的地理位置檢測、智能數據采集和傳感器融合技術實現實時自主決策、更高的資源效率、更簡便的互聯農場生態系統連接的智慧農場等。