【導讀】在所有的電子設備和產(chǎn)品中，都不乏電源管理IC的“身影”。隨著數(shù)字高速IC技術和芯片制造工藝技術的共同高速發(fā)展，高性能電源IC“助陣”的作用顯得愈加重要。而日新月異的電子產(chǎn)品應用、環(huán)保綠色節(jié)能需求的興起也對電源IC提出了更高的要求，催生新一代高集成度、高性能和高能效電源管理IC的需求，亦成為電源管理IC廠商永恒的使命。
電源IC需“漲姿勢”
據(jù)市調機構iSuppli預計，2016年電源管理IC市場預計將達到387億美元，消費電子、網(wǎng)絡通信、移動互聯(lián)領域都是主要的應用市場，汽車電子、新能源領域也逐漸發(fā)力。在應用驅動和技術進步的作用下，對電源IC的技術要求也不斷走高。而且隨著應用的不斷創(chuàng)新，電源IC的市場也呈現(xiàn)出需求多樣化，應用細分化，更多高性能電源IC的市場需求也不斷深化以及擴展化，更好地為滿足系統(tǒng)創(chuàng)新，性能提升而服務。
一方面，伴隨著半導體工藝技術的不斷升級，PCB板上的芯片和元器件功能更高、運行速度更快、體積更小，驅使電源管理IC提供更低更精準的核電電壓以及更大的供電電流、更嚴格的電壓反饋精度、以及更高的效率性能。另一方面，電源管理IC應用領域不斷擴張和深入，實現(xiàn)更優(yōu)異的控制功能、更智能的控制環(huán)路，更快速的動態(tài)響應特性，更簡化的外圍布局設計等都“不可或缺”。電源管理IC想要“拿得出手”，都需直面這些難題。
Altera電源業(yè)務部市場總監(jiān)Mark Davidson表示，為了幫助客戶解決這些挑戰(zhàn)和簡化設計，數(shù)字化、模塊化、智能化電源IC等已是必然之勢。
他舉例說，就拿FPGA客戶來說，電源管理已日益成為一個戰(zhàn)略性的競爭優(yōu)勢，特別是在通信、計算以及工業(yè)應用等領域。隨著FPGA和SoC的不斷發(fā)展，設計人員在下一代嵌入式系統(tǒng)中增加了大量混合信號功能，實現(xiàn)了以前無法企及的系統(tǒng)級性能。如何給功能越來越多、性能越來越高、工藝越來越先進的FPGA供電，確實是一個非常具有挑戰(zhàn)性的問題。比如采用14nm工藝的FPGA會具有更高的性能，相應地也會需要更加高性能的電源與之匹配。而且14nm的FPGA對電源的要求更加苛刻，對電源精度的要求更高，如果電壓范圍超過了規(guī)范的要求，就有可能會使FPGA失效，甚至可能會燒壞。
這也意味著，設計者必須要在嚴格的FPGA電源軌要求、系統(tǒng)功耗和散熱預算限制、構建魯棒而又可靠的系統(tǒng)、符合預算要求按時完成其項目、完全滿足其電路板和系統(tǒng)對功能和性能的要求之間找到最佳結合點，這殊非易事。
數(shù)字電源激發(fā)活力
各大電源管理IC廠商為應對這一市場走勢，都在抓緊排兵布陣，而數(shù)字電源成為他們不遺余力的“招數(shù)”。憑借靈活、快速響應、高集成度以及高度可控的巨大優(yōu)勢，數(shù)字電源已顯示出強勁的發(fā)展勢頭。
據(jù)調研機構IHS公司旗下IMS Research的報告，預計2017年全球數(shù)字電源市場營業(yè)收入將增至124億美元，數(shù)字電源IC市場將達到26億美元。數(shù)字電源市場以服務器和通信設備應用為主導，同時拓展至其他更多應用領域，或如星火燎原之勢。
POL轉換器一般為低電壓，大電流數(shù)字負載（如FPGA，微處理器，DSP及其它具有極高動態(tài)特性的數(shù)字電路）提供電壓。保持電壓在1V左右的精確調節(jié)，同時利用純模擬控制技術來滿足近200A/ns的負載瞬態(tài)要求變得越來越困難。有些數(shù)字控制器能夠提供在同類模擬IC中難以實現(xiàn)的功能例如非線性控制。事實上，幾乎所有的POL數(shù)字控制器都包含了一些不同的旨在改善瞬態(tài)響應的控制技術。這些專用控制算法構成了傳統(tǒng)模擬電源公司進入數(shù)字電源開發(fā)的門檻。電源如果在內部采用數(shù)字內核實現(xiàn)控制環(huán)路，可以滿足極為嚴苛的瞬態(tài)要求，實現(xiàn)極低的紋波電壓，以及在輸出電壓范圍內實現(xiàn)極高的精確穩(wěn)壓。同時可以支持PMbus通信接口，可以 實現(xiàn)遠程精確的電流，電壓和溫度監(jiān)控。
數(shù)字電源為電源設計領域注入了新的活力，同時也對電源管理IC廠商提出了更高的要求。據(jù)了解，一方面，電源管理IC廠商不僅要提供一系列的整合設計方案，而非單一元件，提供高中低端全系列產(chǎn)品；其次，他們也需要全套數(shù)字電源開發(fā)工具，包括硬件和圖形介面（GUI）；最后，獲得相關周邊元件如Power Train，才能創(chuàng)建完整解決方案。另一方面，數(shù)字電源IC廠商如果再“單打獨斗”的話，顯然已“力有不逮”。Altera的Enpirion電源產(chǎn)品中國區(qū)高級業(yè)務經(jīng)理張偉超提到，主芯片廠家諸如FPGA/ASSP/ASIC的技術日新月異，在性能不斷提升的同時對電源的要求也異常的嚴苛，而電源管理IC廠商不能再和以往一樣孤軍作戰(zhàn)，而是必須要和數(shù)字組芯片廠家協(xié)同作戰(zhàn)。電源IC廠商需要和主芯片廠商進行有效地技術溝通，因為只有了解系統(tǒng)芯片的需求，電源IC的目標設計規(guī)格才顯得更有意義，這種為系統(tǒng)性能需求而定制的電源設計最終能為系統(tǒng)的功耗優(yōu)化做出巨大的貢獻。這種協(xié)作可助力電源管理IC廠商的產(chǎn)品更具競爭力，獲得更多的市場份額。
從近些年的市場并購來看，無疑都佐證了這一趨勢。高通收購了Summit， Mediatek收購Richtek， Microchip收購Micrel，Altera收購了Enpirion以及最近收購了德國創(chuàng)新型芯片公司ZMDI的數(shù)字電源控制器部門，道理其實一脈相承，業(yè)界都認可并執(zhí)行類似的策略而收購一家電源企業(yè)的好處或遠比與電源企業(yè)合作來得“直接”。Mark Davidson對此表示，一般大型電源管理IC廠商的電源器件會有很多不同的應用領域，他們不會也不可能把全部的精力投入到FPGA領域，而Altera通過收購則會更加關注電源器件在FPGA方面的應用。他強調，收購Enpirion我們成為一個公司后，可以集合電源、FPGA系統(tǒng)工程以及電路板布局的專家，共同開發(fā)出一個更好的解決方案。
模塊化走勢彰顯
受SoC化設計趨勢的影響，近年來電源管理IC技術表現(xiàn)出越來越強的模塊化趨勢。一方面，設備正變得越來越復雜，更多功能特性、更快更復雜處理器需要更先進的電源管理解決方案，電源管理技術要在更小的硅芯片上集成更多功能同時以更高的設計靈活性實現(xiàn)更強的系統(tǒng)用電性能，這正在改變傳統(tǒng)的電源設計方法。另一方面，模塊化的電源管理IC可有效降低系統(tǒng)設計的復雜性，節(jié)約電路板空間，提高系統(tǒng)的長期可靠性，同時也能有效降低系統(tǒng)成本，帶來的好處是顯而易見的。
因而，市場上的模塊化電源管理IC開始不斷浮出水面。Altera日前就在其Enpirion電源解決方案中新增了一款30amp PowerSoC DC-DC降壓轉換器EM1130。這款被Altera視作“里程碑”式的產(chǎn)品，是集成數(shù)字DC-DC降壓轉換器系列的第一款產(chǎn)品，可為Altera的第10代FPGA提供電源管理功能。EM1130的“功力深厚”，引腳布局密度達業(yè)界最高，面積不到其他解決方案的一半，不僅可提供嚴格的高輸出穩(wěn)壓和快速瞬時響應功能，并能夠遠程測量電流、電壓和溫度等關鍵參數(shù)。
張偉超介紹說，集成的Enpirion電源單芯片系統(tǒng)最大的優(yōu)勢在于極大程度的提高了系統(tǒng)的可靠性和易用性，而模塊電源體積小、低EMI以及通過數(shù)字控制環(huán)路實現(xiàn)更快的負載瞬態(tài)響應和更低的噪聲，從而能夠更加智能化地適應平臺廠商對于降低系統(tǒng)功耗的最新需求同時提升性能的嚴苛挑戰(zhàn)，將經(jīng)驗證的Enpirion電源SoC解決方案與Altera的FPGA結合使用，客戶能夠在盡可能最小的電路板上完成他們的設計，同時還能最大程度地提高性能和降低功耗，加快產(chǎn)品上市、削減材料成本以及增強系統(tǒng)可靠性。
圖 Altera的Enpirion電源SoC解決方案與Arria 10 FPGA結合使用，大大降低功耗并提高系統(tǒng)性能。
此外，電源管理IC的模塊化趨勢還體現(xiàn)在與板上其他芯片的“集成化”上，市場上電源管理IC與主控芯片之間通信及監(jiān)控等功能的集成化也在日益增多。張偉超提到，未來，Altera將會利用Enpirion公司在電源方面的技術，將某些電源模塊集成進FPGA內部，使得系統(tǒng)電路板電路更加簡潔，功耗和成本都得到優(yōu)化處理，并更加簡化FPGA系統(tǒng)的開發(fā)。
智能化提升智能性
而電源管理IC的智能化亦是大勢使然，或才能主動“配合”平臺主芯片的功能不斷升級的需求。張偉超介紹說，隨著系統(tǒng)功能越來越復雜，對能耗的要求越來越高，客戶對電源運行狀態(tài)的感知與控制的要求越來越高，電源設計人員不再滿足于實時監(jiān)控電流、電壓、溫度，還提出了診斷電源供應情況、靈活設定每個輸出電壓參數(shù)的要求。此外，電源管理IC必須和電路板上所需要供電的設備進行有效地連接，因系統(tǒng)要求電源子系統(tǒng)和主系統(tǒng)之間更加實時的合作與配合，甚至要支持通過云端進行的監(jiān)控去管理，智能化的管理和調控已成必須。
如何去實現(xiàn)智能化？張偉超表示，這需要在兩個方面下工夫，一是電源管理IC要實現(xiàn)與內核通信，各部分之間可相互溝通交流，及時動態(tài)的控制加上無縫的溝通可成就一個智能化的電源管理系統(tǒng)，能夠實時地對系統(tǒng)變化的供電需求進行檢測分析和響應，從而大大提高系統(tǒng)的效率。二是內部參數(shù)可實現(xiàn)在線調整，這就意味著電源的動態(tài)特性是可變的，能順應負載在相當大的范圍內變化同時還能保證一定的性能，數(shù)字電源在這方面發(fā)揮重要作用，同時還需要不斷在控制算法、自適應方面實現(xiàn)突破。
Altera通過不斷創(chuàng)新，在這方面實現(xiàn)了新的進展。不久前，Altera在亞太地區(qū)的14個城市舉辦2015年Altera技術日活動，展示了最新的FPGA、SoC及Enpirion電源解決方案。其中，Arria 10和Enpirion的數(shù)字PowerSoC相結合,實現(xiàn)了智能化的FPGA電源系統(tǒng)和最低的功耗。其具體特性包括以下幾個方面：
（1）FPGA設計的所有電源供電要求會導致建立FPGA電源樹，不同資源要求有不同的上電順序，這對電源轉換器提出了更高要求。Enpirion器件具有“Power OK”或者“Power Good”引腳，支持對FPGA中不同資源的電源軌的分組排序，向系統(tǒng)控制器或者排序器件發(fā)出信號，某一FPGA輸入已經(jīng)接通電源，可以開始下一排序步驟；
（2）另一常見的系統(tǒng)電源要求是能夠進行遠程監(jiān)視，對電源各參數(shù)進行實時監(jiān)視、故障報警和相應調節(jié)。而最簡單、最便宜、最緊湊的方式是使用集成了遠程監(jiān)視功能和相應的通信總線的電源調節(jié)器。通過智能電壓ID（SmartVID）特性，Altera的Arria 10 FPGA和SoC通過PMBus接口，確定與Enpirion電壓調節(jié)器系統(tǒng)之間所需的VCC電壓和通信，將內核電壓軌盡可能動態(tài)調整到最小，而不會犧牲系統(tǒng)性能。同時，支持PMBus的Enpirion的ED8101P0xQI單相數(shù)字控制器，與ET4040QI大電流電源配對使用，可實現(xiàn)對FPGA的多種遠程監(jiān)視和低功耗特性。
FPGA電源供電設計有一些常見的要求。理解FPGA設計和應用怎樣影響功耗和電源供電要求會讓設計更清晰，更容易成功。Altera的Enpirion電源解決方案設計滿足了這些苛刻的FPGA電源要求。未來的電子系統(tǒng)功能將日益復雜、多樣和智能化，對電源管理系統(tǒng)的要求也越來越高。深入地理解各個系統(tǒng)的特性和供電需求，并順應數(shù)字化、模塊化和智能化的發(fā)展趨勢，才能夠為系統(tǒng)提供度身定制的“完美”供電保障。
