分類

隨著電子技術(shù)的發(fā)展, 尤其是目前便攜式產(chǎn)品流行和節(jié)能環(huán)保的提倡, 電源IC發(fā)揮的作用越來越大。幾年前, 電源IC還僅僅是集成穩(wěn)壓器件和DC/DC轉(zhuǎn)換器, 但現(xiàn)在電源IC涵蓋很多內(nèi)容,包括DC/DC、LDO（低壓差線形穩(wěn)壓器）、電池充放電管理、PWM控制器、Reset、PFC（功率因數(shù)校正）、節(jié)能控制、功率MOSEFT等等。

電源IC現(xiàn)在的發(fā)展趨勢已經(jīng)不局限于單一功能，而是將各種功能整合在一起，所以電源IC目前更多的被稱為電源管理IC，或電源管理單元（PMU）。

應(yīng)用

電子技術(shù)的快速發(fā)展表現(xiàn)在小型化、節(jié)能環(huán)保、功能強(qiáng)大、價(jià)格下降等方面, 對電源管理提出新的挑戰(zhàn), 具體有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

封裝要求

由于產(chǎn)品散熱要求更高, 需要將新型、小型的封裝技術(shù)引人到電源產(chǎn)品中。另外對于功能整合,SiP可能在SoC尚未成型之前, 成為一個(gè)重要的解決方。SiP是將不同的芯片或其它組件, 通過封裝制程整合在一個(gè)封裝模塊內(nèi), 以執(zhí)行相當(dāng)于系統(tǒng)層級(jí)的功能。

良好的服務(wù)

因電源IC通用型都不強(qiáng), 作為配套產(chǎn)品與整機(jī)廠協(xié)作, 一是要說服人家采用, 二是需要提供良好的服務(wù)。

其他對電源的要求有高性價(jià)比、生產(chǎn)的可靠性等。另外從目前產(chǎn)業(yè)狀況來看, 電源管理IC的設(shè)計(jì)人才, 要比數(shù)字IC缺乏, 而且電源IC需要的知識(shí)面和經(jīng)驗(yàn)度更高。

值得一提的是數(shù)字電源芯片產(chǎn)品, 近兩年來該產(chǎn)品一直是業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn), 但卻叫好不叫座, 市場推廣應(yīng)用一直沒有實(shí)現(xiàn)高速發(fā)展, 而且從目前來看數(shù)字電源在近一兩年仍然難有大的突破。首先是因?yàn)橄掠螐S商對數(shù)字電源芯片的認(rèn)可、評(píng)估、產(chǎn)品設(shè)計(jì)和量產(chǎn)規(guī)模采購等都需要一定時(shí)間, 其次是數(shù)字電源芯片本身在響應(yīng)速度、成本和面積等方面可能和傳統(tǒng)模擬電源芯片相比存在一定差距,還有就是設(shè)計(jì)人員本身的習(xí)慣, 以及使用數(shù)字電

源的產(chǎn)品設(shè)計(jì)復(fù)雜程度等問題。此外, 由于目前數(shù)字電源供應(yīng)商較少, 銷售渠道開拓遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠, 所有這些因素都可能成為數(shù)字電源大規(guī)模推廣應(yīng)用的障礙。

整合電路設(shè)計(jì)

目前各種功能高度的整合已經(jīng)成了電子產(chǎn)品的宿命, 如現(xiàn)在的手機(jī)就將通信、PDA、GPS、電視等集成在一起, 要避免相互間的干擾, 需要電源也隨之改變。

雖然整合模擬和數(shù)字電路的SoC設(shè)計(jì)概念日益普及, 但市面上號(hào)稱的SoC芯片卻因數(shù)字、模擬制程整合不易、成本過高和效能不若預(yù)期, 因而形成高整合度和高效能間的兩難, 因此部分模擬電路如電源管理IC在短期內(nèi)并不適合作整合, 仍將持續(xù)獨(dú)立于SoC芯片之外。

電源轉(zhuǎn)換效率提升

不同的半導(dǎo)體制程需要不同的供電電壓, 形成多而廣得輸入電壓, 對電源管理提出挑戰(zhàn)。而且新的替代能源的使用, 以及節(jié)能環(huán)保的要求加強(qiáng)電源管理功能。

手機(jī)中電源IC的應(yīng)用

手機(jī)是電源管理IC最為重要的應(yīng)用場合。多媒體和3G手機(jī)對高畫質(zhì)視頻、多媒體數(shù)據(jù)流、音頻播放、更清晰的顯示及更多娛樂等需求不斷提升, 但這些功能卻會(huì)大量消耗電源, 其中絕大多數(shù)的電源電壓并不相同, 隨著電流需求不斷增加, 使得它們需要更多電能, 例如從2G語音電話升級(jí)到3G視訊電話后, 對功率需求便增加一倍。在同一手機(jī)中融人更多元化的功能, 其功率消耗也會(huì)隨之增加, 這是未來電源管理芯片發(fā)展的明確趨勢。

由于手機(jī)大量采用LDO來為手機(jī)各個(gè)部件進(jìn)行供電,LDO 雖然具有成本低、封裝小、外圍器件少和噪音小的特點(diǎn), 但其轉(zhuǎn)換效率低, 且只能用于降壓的場合, 加上LDO效率取決于輸出/輸入電壓之比, 在輸入電壓為3.6V、輸出電壓為1.5V的情況下, 效率只有41.7%, 這樣低的效率在輸出電流較大時(shí), 不僅會(huì)浪費(fèi)很多電能, 而且會(huì)造成芯片發(fā)熱影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。而3G手機(jī)各個(gè)部件需要多個(gè)電壓等級(jí)的供電, 在很多情況下, 尤其是壓差大的情況下, LDO已經(jīng)難以滿足供電需求, 因此DC/DC的解決方法成為一種取代LDO的解決方案。

DC/DC轉(zhuǎn)換的優(yōu)勢是升、降壓均適用, 效率又高, 目前已經(jīng)有自動(dòng)PFM/PWM方式和用DC/DC+LDO雙模式的電源管理解決方案, 雖然無論哪種方案成本都將高于LDO, 但的確能夠解決LDO低效和只能用于降壓的問題, 未來3G手機(jī)產(chǎn)量的提高和手機(jī)電源管理功能的提升, 將在一定程度上刺激手機(jī)電源管理IC市場的發(fā)展。

大電流/低輸出電壓的應(yīng)用

由于數(shù)字芯片的時(shí)鐘越來越快, 意味著驅(qū)動(dòng)電流越來越大, 以前只需要線形穩(wěn)壓, 現(xiàn)在就需要開關(guān)式穩(wěn)壓, 以前僅需要一相電源, 現(xiàn)在就需要兩相或多相電源。另外CPU由于速度越來越快, 散熱已成為其發(fā)展的瓶頸, 因此采用多核心技術(shù), 英特爾已經(jīng)在規(guī)劃80個(gè)core的CPU, 對電源要求更高。

發(fā)展?fàn)顩r

電源管理IC產(chǎn)業(yè)應(yīng)該是一個(gè)新興的產(chǎn)業(yè), 近幾年成長率最高的企業(yè)達(dá)到70%, 整體復(fù)合增長率達(dá)到30%。

電源IC廠家不像數(shù)字IC被歐美幾家大廠所壟斷, 比如英特爾壟斷了CPU市場的80%, 電源IC的廠商比較多和分散, 關(guān)鍵是找到自己的位置。我國臺(tái)灣有11家電源管理IC廠商, 是電源管理IC重要產(chǎn)業(yè)基地。臺(tái)灣廠家生產(chǎn)規(guī)模較大, 產(chǎn)品較為齊全, 年產(chǎn)值基本達(dá)到上億美金。臺(tái)灣主要電源管理IC廠家產(chǎn)品比重如下表：

電源管理IC產(chǎn)品項(xiàng)目

電源管理IC應(yīng)用領(lǐng)域

大陸地區(qū)約有10家企業(yè)。主要廠商有昂寶、長運(yùn)通、美芯、芯源、中芯微、啟達(dá)等, 大陸廠商產(chǎn)品功能較專, 起點(diǎn)不高, 還沒形成很大的規(guī)模, 但各有特色, 如昂寶新穎的“ 頻譜擴(kuò)展”（frequency shuffling）專利技術(shù)被應(yīng)用在其大部分IC中, 大大改善了系統(tǒng)EMI性能和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的簡約性, 減少了待機(jī)功耗。此外, 為了響應(yīng)“ 環(huán)?！币? 昂寶還推出了綠色節(jié)能的AC/DC電源控制芯片, 其AC電源適配器、充電器、通信用開關(guān)電源、一體化的LCD TV及顯示屏背光電源系統(tǒng)等不僅能顯著提高開關(guān)電源系統(tǒng)在輕載與滿載下的能量轉(zhuǎn)換效率, 還直接符合近年的各項(xiàng)省功要求。

歐美有模擬產(chǎn)品的半導(dǎo)體大廠幾乎都涉足了電源管理IC領(lǐng)域, 如國家半導(dǎo)體、德州儀器、美信、飛兆、安森美半導(dǎo)體、Intersil、理光、意法半導(dǎo)體等。

從全球整個(gè)電源Ic產(chǎn)業(yè)格局來看, 還是歐美廠商統(tǒng)領(lǐng)天下。臺(tái)灣地區(qū)廠商得利于與晶圓代工業(yè)者和系統(tǒng)廠商的良好關(guān)系, 也處于良好發(fā)展期。大陸廠商在一批歸國學(xué)者帶領(lǐng)下, 正在迎頭趕上。

選擇指南

選擇電源IC不僅僅要考慮滿足電路性能的要求及可靠性，還要考慮它的體積、重量、延長電池壽命及成本等問題。這里給出一些選擇基本原則，供參考。

1、優(yōu)先考慮升壓式DC/DC變換器

采用升壓式DC/DC變換器不僅效率高并且可減少電池?cái)?shù)（減小整個(gè)電源體積及重量）。例如MAX1674/1675高效率、低功耗升壓式DC/DC變換器IC，其靜態(tài)電流僅16μA，在輸出200mA時(shí)效率可達(dá)94%，在關(guān)閉電源時(shí)耗電僅0.1μA，并可選擇電流限制來降低紋波電壓。

2、采用LDO的最佳條件

當(dāng)要求輸出電壓中紋波、噪聲特別小的場合，輸入輸出電壓差不大，輸出電流不大于100mA時(shí)采用微功耗、低壓差（LDO）線性穩(wěn)壓器是最合適的。例如，采用3節(jié)鎳鎘、鎳氫電池或采用1節(jié)鋰離子電池，輸出3.0～3.3V電壓，工作電流小于100mA時(shí)，電池壽命較長，并且有較高的效率。例如采用超微功耗線性穩(wěn)壓器BAW03A～06A，其靜態(tài)電流僅1.1μA，輸出電壓有1.2、1.3、1.4、1.5、1.7、1.8、2、2.1、2.3、2.5、2.7、.28、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、4.0、4.2、4.3、4.5、5.0、5.8、6.0V，可供用戶選擇，輸出電流30mA～50mA。MAX8867/8868輸出噪聲為30μVrms。而另一種低功耗、低壓差LDO器件GMT7250，其靜態(tài)電流180μA，輸出100mA時(shí)壓差小于85mV。該器件溫度穩(wěn)定性好，典型值為31ppm/℃，并且有電源工作狀態(tài)信號(hào)輸出及關(guān)閉電源控制。該器件有固定電壓輸出：3.3V、4.85V、5.0V三種，并且可外接兩電阻來設(shè)定輸出電壓，輸出電壓范圍為1.2～9.75V，輸出電流可達(dá)250mA，適合大多數(shù)便攜式產(chǎn)品應(yīng)用。

3、需負(fù)電源時(shí)盡量采用電荷泵

便攜式儀器中往往需要負(fù)電源，由于所需電流不大，采用電荷泵IC組成電壓反轉(zhuǎn)電路最為簡單，若要求噪聲小或要求輸出穩(wěn)壓時(shí)，可采用帶LDO線性穩(wěn)壓器的電荷泵IC。例如，MAX1680/1681，輸出電流可達(dá)125mA，采用1MHz開關(guān)頻率，僅需外接兩個(gè)1μF小電容，輸出阻抗3.5Ω，有關(guān)閉電源控制（關(guān)閉時(shí)耗電僅1μA），并可組成倍壓電路。另一種帶穩(wěn)壓輸出的電荷泵IC MAX868，它輸出可調(diào)（0～-2×VIN），外接兩個(gè)0.1μF電容，消耗35μA電源電流，可輸出30mA穩(wěn)壓的電流，有關(guān)閉電源控制功能（關(guān)閉時(shí)耗電僅0.1μA），小尺寸μMAX封裝。

4、不要追求高精度、功能全的最新器件

電源IC的精度一般為±2%～±4%，精度高的可達(dá)±0.5%～±1%，要根據(jù)電路的要求選擇合適的精度，這樣可降低生產(chǎn)成本。功能較全的器件價(jià)格較高，所以無需關(guān)閉電源功能的或產(chǎn)品中無微處理器（μP）或微控制器（μC）的則無需選擇帶關(guān)閉電源功能或輸出電源工作狀態(tài)信號(hào)的器件，這樣不僅可降低成本，并且尺寸更小。

5、不要“大馬拉小車”

電源IC最主要的三個(gè)參數(shù)是，輸入電壓VIN、輸出電壓Vo及最大輸出電流Iomax。根據(jù)產(chǎn)品的工作電流來選擇：較合適的是工作電流最大值為電源IC最大輸出電流Iomax的70～90%。例如最大輸出電流Iomax為1A的升壓式DC/DC變換器IC可用于工作電流700～900mA的場合，而工作于20～30mA時(shí)，其效率則較低。如果產(chǎn)品有輕負(fù)載或重負(fù)載時(shí)，最好選擇PFM/PWM自動(dòng)轉(zhuǎn)換升壓式DC/DC變換器，這不僅在輕負(fù)載時(shí)采用PFM方式耗電較小，正常負(fù)載時(shí)為PWM方式，而且效率也高。這種電源IC有TC120、MAX1205/1706等。

6、輸出電流大時(shí)應(yīng)采用降壓式DC/DC變換器

便攜式電子產(chǎn)品大部分工作電流在300mA以下，并且大部分采用5#鎳鎘、鎳氫電池，若采用1～2節(jié)電池，升壓到3.3V或5V并要求輸出500mA以上電流時(shí)，電池壽命不長或兩次充電間隔時(shí)間太短，使用不便。這時(shí)采用降壓式DC/DC變換器，其效率與升壓式差不多，但電池的壽命或充電間隔時(shí)間要長得多。

注意事項(xiàng)：

DC/DC變換器中L、C、D的選擇

電感L、輸出電容C及續(xù)流二極管或隔離二極管D的選擇十分重要。電感L要滿足在開關(guān)電流峰值時(shí)不飽和（開關(guān)峰值電流要大于輸出電流3～4倍），并且要選擇合適的磁芯以滿足開關(guān)頻率的要求及選擇直流電阻小的以減少損耗。電容應(yīng)選擇等效串聯(lián)電阻小的電解電容（LOW ESR），這可降低輸出紋波電壓，采用三洋公司的有機(jī)半導(dǎo)體鋁固體電解電容（一般為幾十～幾百毫歐）有較好效果。二極管必須采用肖特基二極管，并且要以滿足大于峰值電流為要求。

扮演角色

目前我們最常提到的是電子產(chǎn)品的數(shù)字化, 比如一臺(tái)電腦主板, 最主要的是CPU, 其次是邏輯存儲(chǔ)器, 這些都是數(shù)字化器件, 但對自然環(huán)境的檢視,如對聲音信號(hào)、對影像信號(hào)的拾取, 就要依靠模擬器件。將信號(hào)輸出給人類感知, 同樣離不開模擬技術(shù),比如將聲音放大輸出, 圖像顯示等。就是目前最先進(jìn)的LCD顯示, 雖然是用數(shù)字技術(shù)實(shí)現(xiàn), 但為了達(dá)到更佳顯示效果改用LED背光, 對LED背光的控制實(shí)際又回到模擬方式。另外對交流電源的轉(zhuǎn)換利用,對電池的電壓變換和充放電也是模擬技術(shù)應(yīng)用的重要方面。目前IC制造已經(jīng)進(jìn)入65納米時(shí)代, 邏輯IC普遍落后一個(gè)世代, 不同數(shù)字器件有不同的制程, 所以需要不同的供電電壓, 因此更需要電源管理這一模擬技術(shù)。所以說隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展, 模擬技術(shù)分布于數(shù)字技術(shù)周邊, 與數(shù)字技術(shù)密不可分。數(shù)字技術(shù)與模擬技術(shù)比較如下.

在整個(gè)模擬IC中, 電源管理IC又扮演著非常重要的角色。除了省電、低耗電的可攜式產(chǎn)品日趨普及, 新興替代能源, 如太陽能、生物能源等節(jié)能環(huán)保等, 包括面板驅(qū)動(dòng)IC、LDO、白光背光源LED驅(qū)動(dòng)IC、充電裝置CMOS Sennor或是等已成為模擬IC業(yè)者開始投入的領(lǐng)域, 如何通過更低耗電的設(shè)計(jì)以減少電力的消耗, 及更輕薄短小和更低價(jià)錢已成為廠商努力的方向。電源IC可以說是單價(jià)不高, 但責(zé)任重大。

2007年全球IC產(chǎn)值約在2200億美元, 模擬約占400億美元, 其中電源IC占模擬IC的19%。2008年全球IC的增長率約為8%, 模擬IC的增長率約為13.5%, 高于IC平均增長率, 而電源IC增長率達(dá)到20%, 又高于模擬IC增長率, 可見電源管理IC的最佳配角的重要性。