電子產(chǎn)品，一個(gè)完全不陌生的名詞。或許稍作觀察，您就會留意到您的生活中已經(jīng)不可或缺電子產(chǎn)品了。確實(shí)，現(xiàn)代社會，科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展，身邊越來越多人使用各種電子產(chǎn)品，手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、電腦、電視等等，各種電子產(chǎn)品的身影也是隨處可見。而電源管理技術(shù)在提倡節(jié)能環(huán)保及經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的今天，已經(jīng)顯得越來越重要。可以說，凡是電子產(chǎn)品都涉及到電源管理。如今，人們也已經(jīng)越來越依賴電子產(chǎn)品了，對電子產(chǎn)品的功能要求是越來越高。社會環(huán)境、消費(fèi)者、國家政策的指引等等，都對電源管理技術(shù)提出新的要求，電源管理技術(shù)的發(fā)展也在各種挑戰(zhàn)中不斷提升。這一期，我們將主要針對PC外設(shè)用電源，與您一起探討電源管理面臨的挑戰(zhàn)及發(fā)展方向。
節(jié)能推進(jìn)電源管理技術(shù)發(fā)展 電源管理技術(shù)體現(xiàn)節(jié)能
隨著節(jié)能環(huán)保問題日益引起重視，如何開源節(jié)流已經(jīng)成為很多半導(dǎo)體廠商主要考慮的問題。而對于電源管理，提升電源設(shè)計(jì)效率是半導(dǎo)體廠商與電源系統(tǒng)工程師最關(guān)注的問題。英飛凌一直持續(xù)致力于提升PC電源的效率，研發(fā)高效率的電源管理IC，并且提供系統(tǒng)解決方案。針對不同效率要求的PC臺式機(jī)電源，英飛凌都有相對應(yīng)的完整系統(tǒng)解決方案。其中電源管理IC可以分別應(yīng)用在有源功率因數(shù)校正，LLC諧振式半橋和全橋變換器，正激式PWM變換器，以及輔助電源模塊。IFX90ATX300W是英飛凌開發(fā)的300W標(biāo)準(zhǔn)ATX電源樣機(jī)，其效率超過全面90%，并且獲得80plus機(jī)構(gòu)的白金認(rèn)證(英飛凌是第一家獲得80plus白金證書的半導(dǎo)體供應(yīng)商)。
英飛凌科技亞太私人有限公司高級工程師李冬博士指出：“對應(yīng)于80plus金牌和白金效率的電源，我們特別推薦ICE3PCS0xG，ICE2HS01G和800V CoolSET。這三款I(lǐng)C可以最大限度的幫助優(yōu)化功率電路的設(shè)計(jì)，減小功率損耗，提升效率，降低成本。”他還補(bǔ)充道，對應(yīng)于80plus銅牌效率的電源，英飛凌推薦使用ICE1CS02。這顆IC將CCM PFC和正激變換器的控制集成在一起，可以最大限度的減小電源設(shè)計(jì)工程師的開發(fā)難度和時(shí)間。內(nèi)建完整的保護(hù)功能，在故障出現(xiàn)時(shí)候，可以快速、準(zhǔn)確地自我保護(hù)。集成的控制和內(nèi)建的保護(hù)功能，還可以減少外部分離器件的數(shù)量，降低整機(jī)成本。
對筆記本電腦有強(qiáng)烈需求的消費(fèi)人群來講，電池的持久性，更高的能效、設(shè)計(jì)的簡潔、攜帶的方便等都是消費(fèi)考慮的主要因素。所以同樣地，作為一家專為功率及便攜設(shè)計(jì)提供高能效、易于應(yīng)用及高增值的半導(dǎo)體解決方案——飛兆半導(dǎo)體。飛兆半導(dǎo)體第二代XS™ DrMOS系列FDMF6708N是經(jīng)全面優(yōu)化的緊湊型集成MOSFET解決方案加驅(qū)動(dòng)器功率級解決方案，用于大電流、高頻率同步降壓DC-DC應(yīng)用。與最接近的競爭產(chǎn)品相比，該器件在峰值負(fù)載下(15A)效率提高2.5%，在滿負(fù)載條件下(30A)效率改善6%。該器件適用于要求開關(guān)頻率在600KHz – 1.0MHz，輸入電壓甚至達(dá)到20V的應(yīng)用。可讓設(shè)計(jì)人員使用更小、更薄的電感和電容，減小解決方案的尺寸，同時(shí)滿足熱性能要求。FDMF6708N器件能夠幫助設(shè)計(jì)人員應(yīng)對設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)出更酷、更薄且具有更高能效的Ultrabook™產(chǎn)品。
無論從半導(dǎo)體廠商還是電源制造商的觀點(diǎn)來看，今后的主體發(fā)展趨勢仍將集中在進(jìn)一步提高轉(zhuǎn)換效率，提升功率密度，高可靠性及更低成本。而電源的效率幾乎是電源技術(shù)與應(yīng)用中永恒的主題，隨著全球經(jīng)濟(jì)的一體化和對節(jié)能環(huán)保的關(guān)注，更高的轉(zhuǎn)換效率意味著對能源的有效利用和減少能耗開支。
例如，飛兆半導(dǎo)體提供的AIO解決方案非常適合75W~230W功率范圍應(yīng)用，包括FAN6920MR集成式臨界導(dǎo)通模式PFC和準(zhǔn)諧振電流模式PWM控制器產(chǎn)品;FAN7382柵極驅(qū)動(dòng)器;以及用于反激式拓?fù)浜驼だm(xù)流整流的FAN6204次級端同步整流(SR)控制器。而且，這些器件都具有同級最佳的無/輕負(fù)載功耗，能夠?qū)崿F(xiàn)達(dá)到2013 ErP標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)，并可省去LLC解決方案所需的附加電路。[page]
另外，以全球領(lǐng)先的高性能模擬集成電路(IC)設(shè)計(jì)及制造商而名的奧地利微電子，針對PC及外設(shè)用方面的電源管理IC則提供分立的低壓差線性穩(wěn)壓器(LDO)、DC/DC轉(zhuǎn)換器及電源管理集成電路(PMIC)。其的LDO和DC/DC轉(zhuǎn)換器能耗及噪音都非常低。而PMIC產(chǎn)品提供了強(qiáng)大的系列編程設(shè)置，采用OTP(一次可編程)可靈活實(shí)現(xiàn)客戶所需的上電時(shí)序。
面對各種挑戰(zhàn) 半導(dǎo)體廠商各有戰(zhàn)術(shù)
當(dāng)能效標(biāo)準(zhǔn)逐漸成為電子產(chǎn)品新的緊箍咒，各大電源半導(dǎo)體廠商不得不面對電源管理技術(shù)的全新挑戰(zhàn)。飛兆半導(dǎo)體 FDMF68xx Gen III DrMOS多芯片模塊(MCM)系列經(jīng)設(shè)計(jì)能夠降低輸出感量和減少輸出電容器數(shù)目，與普通分立器件解決方案相比，該系列能夠節(jié)省多達(dá)50%的線路板空間，并提高效率，以期滿足新能源標(biāo)準(zhǔn)要求。使用飛兆半導(dǎo)體的高性能PowerTrench® MOSFET技術(shù)，F(xiàn)DMF68xx系列能夠顯著減少開關(guān)振鈴(switch ringing)，省去大多數(shù)降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中使用的緩沖器電路。FDMF68xx系列配合針對刀片式服務(wù)器、高性能筆記本電腦、游戲主機(jī)和負(fù)載點(diǎn)(point-of-load)模塊的新能源標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)規(guī)范，正在推動(dòng)業(yè)界對更高效率、更大電流、更高開關(guān)頻率以及更大功率密度的需求。
PC和外設(shè)電源的設(shè)計(jì)人員一直面對對空間有限、滿足世界各地能源法規(guī)要求，以及提供易于設(shè)計(jì)之解決方案的挑戰(zhàn)。對于領(lǐng)先的的電子設(shè)備品牌廠商，它們將節(jié)能和環(huán)境責(zé)任視為競爭優(yōu)勢。鑒于價(jià)格也是一個(gè)市場驅(qū)動(dòng)力，如果電源的成本過高，這些制造商可能放棄實(shí)現(xiàn)最低的額定待機(jī)功耗。因此，那些需要額外器件并且增加BOM成本的功率半導(dǎo)體解決方案在競爭中處于劣勢。
對于飛兆半導(dǎo)體這一類半導(dǎo)體企業(yè)來說，使用盡可能少的元器件來實(shí)現(xiàn)超低待機(jī)功耗的挑戰(zhàn)不是微不足道的。在待機(jī)/空載條件下有著數(shù)個(gè)功率損耗來源，而且，需要使用多種技術(shù)來解決所有這些問題。讓我們看看以下示例：
例如，通過利用700V JFET制造工藝，飛兆半導(dǎo)體器件能夠在器件開啟后切斷電路路徑，從而消除啟動(dòng)電阻的損耗。大家知道電源可以在輕載狀況下進(jìn)入間歇工作模式，通過減小開關(guān)頻率來降低MOSFET的開關(guān)損耗，飛兆半導(dǎo)體則更進(jìn)一步，通過使用創(chuàng)新技術(shù)，在相同的設(shè)計(jì)部件中，同時(shí)降低功率 MOSFET和PWM IC的多種損耗。而對于15W以上的適配器，需要使用一個(gè) X電容來抑制EMI，這需要使用一個(gè)泄放電阻來進(jìn)行安全放電。飛兆半導(dǎo)體提供一項(xiàng)包括一個(gè)700V MOSFET的專利電路技術(shù)，省去電阻和隨之而來的原邊IC中的功率損耗。其它廠商現(xiàn)時(shí)只有采用一個(gè)或多個(gè)附加電路才能解決這個(gè)問題。一般解決方案會使用次級端調(diào)節(jié)電路來提供反饋控制功能，而飛兆半導(dǎo)體擁有專利的初級端調(diào)節(jié)(PSR)技術(shù)，不僅能夠減少反饋損耗，還能夠進(jìn)一步降低功率IC的損耗。
“雖然各種工藝、電路和封裝技術(shù)能夠減少各方面的待機(jī)功耗，但是，僅僅在能夠同時(shí)應(yīng)用這些技術(shù)形式時(shí)，才可能出現(xiàn)真正的突破。”飛兆半導(dǎo)體技術(shù)行銷副經(jīng)理張瑞斌認(rèn)為。
目前PC電源管理的主要挑戰(zhàn)是保持尺寸不變，大幅度提高效能。首先，選擇合適的拓?fù)涫翘岣咝艿幕A(chǔ)。當(dāng)前，諧振式變換器以其零電壓開通的特點(diǎn)，在高效率電源中得到廣泛應(yīng)用。然后，電源管理IC需要提供穩(wěn)定的控制策略，最大限度地發(fā)揮諧振式變換器的優(yōu)點(diǎn)。最后，隨著有源功率器件的技術(shù)進(jìn)步，例如英飛凌領(lǐng)先的COOLMOS和碳化硅二極管，可以進(jìn)一步提高電源轉(zhuǎn)換效率。
提高電源管理效能，一方面想要保持能量轉(zhuǎn)換的綜合效率，同時(shí)還希望減小設(shè)備的尺寸;另一方面是保護(hù)尺寸不變，大幅度提高效能。為此，奧地利微電子最新的產(chǎn)品經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，可以極大地提高能源效率，同時(shí)降低整個(gè)電源解決方案的大小。
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不斷創(chuàng)新技術(shù) 降功耗提能效
半導(dǎo)體制造也是不斷在開發(fā)多種創(chuàng)新技術(shù)，如全新的控制方法，可以省去附加的外部組件，從而也可以降低功耗。只有不斷取得突破，才能保持行業(yè)發(fā)展的生命力。奧地利微電子電源產(chǎn)品市場經(jīng)理Don Travers表示，奧地利微電子最新的產(chǎn)品提供獨(dú)特的功率管理，可以使用戶靈活地實(shí)現(xiàn)電源管理，從而極大地降低平均能耗，進(jìn)而延長電池使用壽命。
而素以高可靠性、卓越質(zhì)量和創(chuàng)新性著稱的英飛凌，在模擬和混合信號、射頻、功率以及嵌入式控制裝置領(lǐng)域掌握尖端技術(shù)。那么在電源管理技術(shù)中，英飛凌取得哪些突破?李冬博士娓娓道來，ICE3PCS0xG是第三代的連續(xù)電流模式功率因數(shù)校正控制IC，專門根據(jù)PC電源的要求作出優(yōu)化設(shè)計(jì)。異于傳統(tǒng)的乘法器PFC控制策略，獨(dú)有的關(guān)斷時(shí)間控制，可以剔除復(fù)雜的外部瞬時(shí)正弦電壓采樣網(wǎng)絡(luò)。超低的-0.2V峰值電流保護(hù)門限，將電流采樣電阻上的損耗降至最低。內(nèi)建的數(shù)字陷波濾波器，可以確保超低的總電流諧波畸變，同時(shí)保持快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
還有，ICE2HS01G是第二代的LLC諧振半橋控制IC，集成了副邊的同步整流驅(qū)動(dòng)信號。創(chuàng)新的同步整流控制策略(專利申請中)，無論變換器工作頻率高于或者低于諧振頻率，都可以確保高效安全的工作。內(nèi)建的保護(hù)功能，可以應(yīng)對各種極端的故障狀況，比如輸出短路開機(jī)和過載。當(dāng)輸出空載或者輕載時(shí)候，IC會進(jìn)入打嗝模態(tài)，確保輸出電壓穩(wěn)定。
另外，800V CoolSET把控制IC和800V MOSFET封裝在一起，簡化外部元器件的數(shù)目和設(shè)計(jì)復(fù)雜度。800V耐壓的MOSFET提供更高的電壓余量和靈活的變壓器設(shè)計(jì)。主動(dòng)式的打嗝控制有效的降低待機(jī)功耗，滿足最新的待機(jī)能耗要求。
掌握核心技術(shù)也是企業(yè)不斷涌現(xiàn)新產(chǎn)品滿足市場需求的重要保證。mWSaver™是飛兆半導(dǎo)體對一系列嵌入在關(guān)鍵的功率適配器組件中的優(yōu)化工藝和電路技術(shù)的統(tǒng)稱，這些功率技術(shù)創(chuàng)新包括五種專利技術(shù)(關(guān)斷時(shí)間調(diào)制、JFET HV(高壓)啟動(dòng)電路、反饋?zhàn)杩归_關(guān)、HV(高壓)放電和PSR控制)，以及間歇工作模式和超低靜態(tài)電流技術(shù)。所有采用mWSaver™ 品牌技術(shù)的產(chǎn)品將具有：業(yè)界最低的單位器件待機(jī)空載功耗;能夠降低電阻、電容、電感和整流器等外部器件的功耗;出色的滿負(fù)載額定效率;能夠超越世界各地所有的無負(fù)載法規(guī)要求;通過省去附加電路和外圍元器件數(shù)量來降低材料清單(BOM)成本，并集成了電壓過低檢測、欠壓閉鎖(ULVO)、過壓保護(hù)(OVP)、開環(huán)保護(hù)(OLP)和過熱保護(hù)(OTP)等功能。
對于電源制造商來說，mWSaver™技術(shù)意味著妥協(xié)的終結(jié)，他們能夠獲得其客戶所要求的超低待機(jī)功耗特性，同時(shí)減少組件并降低BOM成本。對于整個(gè)社會而言，這項(xiàng)技術(shù)在進(jìn)一步降低能源損耗的邁出了重要的一步，防止不必要的自然資源的消耗，并且實(shí)現(xiàn)更清潔的環(huán)境。
未來PC及外設(shè)用對模擬IC的需求趨勢
目前。工業(yè)筆記本電腦設(shè)計(jì)的發(fā)展趨勢正在推動(dòng)業(yè)界降低元器件高度，同時(shí)，功率和溫升要求促使業(yè)界提高功率密度和效率。此外，服務(wù)器的設(shè)計(jì)趨勢是轉(zhuǎn)向更高的功率密度，從而為服務(wù)器中心提供更高的單位計(jì)算功率，以滿足提高功率密度來減少運(yùn)營支出的要求。飛兆半導(dǎo)體針對這些發(fā)展趨勢所開發(fā)的產(chǎn)品有FDPC8011S功率級和FDMF68XX系列 DrMOS產(chǎn)品。
張瑞斌向記者介紹：“FDPC8011S專為更高的開關(guān)頻率的應(yīng)用而開發(fā)，在一個(gè)采用全Clip封裝內(nèi)集成1.4m? SyncFETTM 技術(shù)和一個(gè)5.4m?控制MOSFET、低質(zhì)量因子的N溝道MOSFET，有助于減少同步降壓應(yīng)用中的電容數(shù)量并減小電感尺寸。該器件具有源極朝下和低側(cè)MOSFET可以實(shí)現(xiàn)簡單的布局和布線，提供更緊湊的線路板布局并獲得最佳的散熱性能。”FDPC8011S具有超過25A的輸出電流，與其它普通3x3mm2 雙MOSFET器件相比，輸出電流容量提高了2倍。
飛兆半導(dǎo)體 FDMF68xx Gen III DrMOS多芯片模塊(MCM)系列經(jīng)設(shè)計(jì)能夠降低輸出感量和減少輸出電容器數(shù)目，與普通分立器件解決方案相比，該系列能夠節(jié)省多達(dá)50%的線路板空間，并提高效率，以期滿足新能源標(biāo)準(zhǔn)要求。使用飛兆半導(dǎo)體的高性能PowerTrench® MOSFET技術(shù)，F(xiàn)DMF68xx系列能夠顯著減少開關(guān)振鈴(switch ringing)，省去大多數(shù)降壓轉(zhuǎn)換器應(yīng)用中使用的緩沖器電路。FDMF68xx系列配合針對刀片式服務(wù)器、高性能筆記本電腦、游戲主機(jī)和負(fù)載點(diǎn)(point-of-load)模塊的新能源標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)規(guī)范，正在推動(dòng)業(yè)界對更高效率、更大電流、更高開關(guān)頻率以及更大功率密度的需求。
對此，李冬博士也表示，功能齊全和簡單易用是PC電源管理IC的需求，也是英飛凌的產(chǎn)品研發(fā)方向。
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電源管理技術(shù)發(fā)展方向——高轉(zhuǎn)換效率、高功率密度、高可靠性、低成本
有業(yè)界人士說，電源管理集成到一個(gè)系統(tǒng)能顯著降低成本，不僅可以提供所有電源管理功能，而且避免了相同功能的重復(fù)實(shí)現(xiàn)。共享資源的功能可以合并。張瑞斌指出，很多制造商喜好使用模塊解決方案，因?yàn)橄啾确至⒔鉀Q方案，模塊解決方案具有數(shù)項(xiàng)優(yōu)勢。首先，模塊方案有助于提高系統(tǒng)的可靠性和效率。許多成套設(shè)備開發(fā)人員在設(shè)計(jì)功率部件和柵極驅(qū)動(dòng)電路時(shí)遇到了困難，因其布局周邊是非常敏感的。而模塊解決方案在設(shè)計(jì)中考慮了這些因素，以期減小雜散電阻/電感并優(yōu)化開關(guān)特性，這可以通過優(yōu)化硅芯片安排及縮短引線粘接長度來實(shí)現(xiàn)。其次，模塊方案能夠簡化成套設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造過程。
Don Travers卻不這樣認(rèn)為。他說：“我們在高性能應(yīng)用處理器方面的經(jīng)驗(yàn)顯示，高集成度并不比專用的PMIC解決方案更具成本效率。”
任何消耗功率的電子系統(tǒng)均可從獲益于更高的功率密度(更小的體積)和效率(更低的溫度和運(yùn)營成本)。飛兆半導(dǎo)體滿足這些需求的解決方案包括： 改進(jìn)半導(dǎo)體封裝來減少降低效率的寄生現(xiàn)象，并提高功率密度;投資開發(fā)基礎(chǔ)半導(dǎo)體技術(shù)，比如飛兆半導(dǎo)體的PowerTrench®工藝、SiC 和 GaN 工藝，以期提高功率效率;開發(fā)具有先進(jìn)功率管理算法的高性能專用IC;在智能功率級(SPS) 和DrMOS等多芯片模塊中綜合利用所有上述技術(shù)，進(jìn)一步提高功率效率和密度。
采用這些創(chuàng)新技術(shù)的市場將會遵循歷史趨勢——早期的采用者將成為努力樹立行業(yè)設(shè)計(jì)和性能標(biāo)準(zhǔn)的先驅(qū)企業(yè)，例子包括超薄型筆記本電腦廠商、超高效服務(wù)器制造商、追求設(shè)立新的能效標(biāo)準(zhǔn)白色家電制造商，以及致力突破效率和散熱限制LED照明產(chǎn)品制造商。
總而言之，特別是隨著節(jié)能、綠色電源和電子設(shè)備必須遵守強(qiáng)制性能效規(guī)范，電子產(chǎn)品多功能化，優(yōu)化成本的發(fā)展趨勢，電源管理技術(shù)朝著提高轉(zhuǎn)換效率，提升功率密度，高可靠性及更低成本的節(jié)能方向邁進(jìn)是符合市場發(fā)展需求的。
