插旗数位电源市场 电源芯片商火力全开

来源:互联网 作者:------ 时间:2015-01-26 09:39

电源芯片 数位电源

  数位电源应用版图正逐渐从高阶的云端、电信设备,向下渗透至液晶电视、个人电脑及智慧家庭等一般消费性应用;为抢占市场大饼,数位电源晶片商已竞相推出支援PMBus介面的解决方案,以及同时具备类比和数位电路的复合型产品,引爆新一轮技术竞赛。

  数位电源晶片大战愈演愈烈。数位电源应用版图不断扩张,相关产品设计需求也快速升温,刺激电源供应器与电源晶片开发商加紧推出更高效能的新一代方案,抢攻数位电源商机。

  根据市调机构IHS统计,2013年全球数位电源设备市场,台达电以10.3%市占率夺冠;其次是Eltek及Emerson,各自取得9.1%及8.8%市占率。另外,在晶片供应商部分,德州仪器(TI)则以9.8%市占率领先;英飞凌(Infineon)及Powervation则分别以9.6%及8.9%紧追在后。

  从上述数据可看出,目前数位电源市场尚未出现任一晶片商或设备商垄断并决定市场发展走向的一家独大局面,头角峥嵘的新秀及老将须不断推出创新产品,才有机会在数位电源产业占有一席之地。

  凌力尔特(Linear Technology)电源产品部门产品行销总监Tony Armstrong(图1)表示,降低系统总体功耗是数位电源显着的一项优势。以资料中心伺服器设备为例,当系统欲降低总体功耗时,会透过重新排序工作流程,或是将部分作业交由未充分利用的伺服器设备,以使其他的伺服设备停机(Shutdown);而精确的数位电源系统管理(PSM)方案能提供用户设备功耗的详细资讯,从而实现智慧能源管理决策机制。

  在有多电源轨的电路板上进行电源管理的难度很高,通常需要通过示波器来帮忙,而且还经常要对印刷电路板上的元件进行重新设计加工。为了简化上述电源管理的任务,透过数位汇流排来配置和监控功率的实作方法已愈来愈受到市场欢迎,这是运用遥测(Telemetry)技术,来设置、监控和更改功率参数,以达到电管系统管理的目的。

  Armstrong指出,凌力尔特的PSM产品线正在持续成长,包括同步降压型直流对直流(DC-DC)控制器,其整合功率场效电晶体(FET)闸极驱动器,并通过基于I2C的电源管理汇流排(Power Management Bus, PMBus)介面实现全面的电源管理功能。

  事实上,PSM产品是透过PMBus介面来配置和监控的,而支援PMBus指令的多寡,则将决定数位电源扩充弹性。PMBus协定是由几家主要的电源供应器厂商以及半导体制造商共同制定的一套电源管理通讯标准,其采用业界标准的SMBus介面作为资料的传输方式,主机系统只需根据单一的通讯协定即可完成电源管理系统的程式编辑、数位控制及即时监控等功能。

  提高数位电源扩充弹性 IR扩大支援PMBus指令

  国际整流器(IR)行销总监Ramesh Balasubramaniam表示,高效能处理器、特定应用积体电路(ASIC)及现场可编程闸阵列(FPGA)晶片尺寸越来越小,这些深次微米技术需要足够智慧化的电源以达到快速优化,而数位电源能则能满足这项需求。另一个趋势则是制造商持续精简电源工程人员的数量,因此越来越多的系统架构人员也需要设计电源,而数位环境的标准化以及好用的数位电源对架构层面有很大的帮助。

  Balasubramaniam进一步指出,若要进一步扩大数位电源市场版图,最重要的因素是数位电源通讯介面的标准化,而PMBus是这方面的关键推手;有鉴于此,PMBus组织持续透过更新数位汇流排的规格来统一效能,以迎合上述发展趋势。  

图一:最新版的PMBus 1.3规格具备适应性电压调节技术,可增强电源管控效能。

 

  也因此,许多数位电源晶片商也积极推出支援PMBus的产品,力促数位电源环境标准化的实现,包括凌力尔特、国际整流器等;而为了提高数位电源方案的扩充弹性,目前国际整流器提供的元件可以执行六十个以上的PMBus指令,较其他竞争方案更胜一筹。此外,国际整流器亦提供广泛的产品组合,支援宽广的电流范围,包括从几安培的PMBus单相整合FET转换器,至高达数百安培的PMBus多相控制器。

  Balasubramaniam补充,为了成为高效能运算市场数位电源的领导厂商,并提供完整的产品数位连接套件,实现智慧平台电源管理,国际整流器已于2011年收购CHiL Semiconductor。这项收购使国际整流器的技术能力扩展至数位功率管理平台,为运算系统、图像、伺服器和游戏设备等应用改善功率效率。

  据悉,CHiL Semiconductor将专利的数位技术与混合讯号技术结合,提供节省能源的多相位功率解决方案。针对数位控制的相关开放式架构,让客户能因应成本和性能目标设计功率系统,从而显着减少占位面积及物料清单,并将许多类比功能融合新型数位电源中。

  抢攻复合型电源转换应用商机 晶片商同步扩展MCU/DSC方案

  众所周知,数位电源供应相较于类比电源供应能提供更多的优势。比如,在各种负载与外在环境的情况下,数位电源能提供最佳的电源效率;电源供应如果完全采数位电源技术,通常对于零件的要求较少,因此就会有较高的电源密度以及可靠性。

  微芯(Microchip)MCU16部门产品行销经理Tom Spohrer表示,为缩短设计周期时间和改善经济规模,很多设计师会善用数位电源设计技术,透过少量设计平台去设计多元产品。数位控制电源技术不仅让单一平台能重新设计于不同的应用,也能让产品快速进入市场,实现高销售量及低单价的产品。

  不过,全数位的控制方式也会遇到不少问题,主要是在于成本高昂以及研发不易,为既非适用于全数位亦非全类比控制方式之间的系统应用,设下了屏障;因此,市场上便衍生出半类比半数位的复合型电源转换方案以迎合中间市场的需求。

  为了同时巩固两种应用市场,微芯除了推出全数位的数位讯号控制器(DSC)电源方案外,亦同时开发出整合微控制器(MCU)的复合型类比数位电源转换方案。

  以该公司的数位增强型类比电源(DEPA)控制器--MCP19118/9为例(图3),该元件可为同步降压DC-DC转换器提供简易又高效的类比脉冲宽度调变(PWM)控制,工作电压可达40伏特(V),并搭配一个可配置的数位MCU。这是业界首款结合40V工作电压和PMBus通讯介面的元件。其内建的8位元MCU核心使其具有可程式化的类比控制回路功能,如此可实现快速的电源转换电路开发。

  

图二:MCP19118配置示意图(资料来源:微芯)

 

  针对更高阶的应用,Spohrer则指出,目前有非常多的架构可供数位电源设计师选择,有时候类比控制器是用来作为补偿器的功能,而MCU大部分用来做为管理以及通讯功能。虽然它成本较低,但是这个方案在整个负载范围中,较无法提供弹性还有更高的效率。

  意法半导体(ST)资深行销经理Francesca Sandrini亦认为,虽然性能正在大幅提升的MCU可能有助于数位电源市场规模扩大,但是MCU方案只适用于发展相当成熟稳定的应用市场,而对新的数位电源应用领域影响甚微;因为新的数位电源市场需要客制化的解决方案,而数位讯号处理器(DSP)或是现场可编程闸阵列(FPGA)则可满足此需求。

  微芯dsPIC DSC的GS系列正是为了全数位电源控制的需求所做的设计。这些装置可以使用在非线性、预测和适应控制运算法以将电源效能增加至最大限度。DSC同样让客户可以使用自己的控制技术并产生差异化方案,进而创造凌驾竞争对手的产品价值。

  另一方面,为了降低数位电源的进入门槛,晶片商亦正积极发展开放式平台,让不懂数位设计的类比电源工程师,也能透过简易的使用者介面快速上手,进而设计出差异化的数位电源系统方案。

  降低数位电源进入门槛 ST力拓开放式平台

  Sandrini表示,在数位电源市场上,成本并不是唯一扩展市场的关键。传统的电源设计人员拥有很强的类比电源背景,基本上不会有人要求类比电源工程师撰写软体;相反地,软体工程师则几乎没有电力电子设计经验。不过,目前开发数位电源系统的办法,是让有经验的电源工程师和软体工程师合作,然而这导致开发人员的数量增加一倍,仅有为数不多的企业能够承担如此庞大的研发经费。

  Sandrini进一步剖析,如果想要真正地推广数位电源技术,对于那些原本熟悉电磁设计和印刷电路板布局而不懂绘图使用者介面(软体发展工具)的工程师,晶片商必须针对他们的不足提供能够使用的数位电源解决方案,使其毋须自行动手写软体代码,即可获得数位电源的技术优势。如此一来,方能进一步降低进入数位电源市场的技术门槛。

  有鉴于此,意法半导体针对电源推出专用的数位控制平台--STNRG,该平台整合硬体周边设备和相关应用软体代码,在不久前又针对无线充电推出数位控制平台--STWBC,此为一个内建专用韧体的封闭式平台。

  据了解,STNRG平台在单一晶片上整合数位晶片和功率区块,其中数位晶片内建韧体(特定开关式电源专用韧体)。意法半导体不仅提供数位控制器、韧体和高压驱动电路,还提供金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)和整流管,期能成为一站式供应商。Sandrini坚信,透过各种简化开发流程的应用平台,将会为意法半导体带来竞争优势,使该公司的数位电源产品受到客户青睐。

  另一值得注意的是,提升数位电源系统的单位功率密度(Power Density),可谓是数位电源相关供应商目前有志一同所竞逐的目标;而为了达到此目的,新元件、新技术的应用开发也须加快脚步;其中,氮化镓(GaN)MOSFET应用正渐露锋芒。

  提高数位电源功率密度 GaN MOSFET应用受瞩目

  为提升数位电源系统单位功率密度,包括德州仪器等电源晶片大厂已全力投入GaN MOSFET的应用效能研究。现阶段,GaN MOSFET在功耗、导通电阻及电源转换效率等方面,表现皆已可超越传统MOSFET方案,但要大量商用仍须克服制程及成本等问题。

  德州仪器半导体行销现场应用经理曾生元表示,数位电源系统的效率都已推进到极致,如今业界所追求的是单位功率密度的提升。也就是在提供相同功率的前提下,如何缩小尺寸面积;或者是在相同尺寸面积之下,如何让功率表现更好。

  曾生元进一步指出,要提升数位电源系统功率密度的最大关键,在于提高脉冲宽度调变(PWM)的切换频率。目前,市面上PWM的切换频率几乎在150kHz以下,普遍约介于50k?120kHz之间;而业界对于未来数位电源系统的期待,则是希望PWM的切换频率能达到500kHz,甚至是更高的水准。 不过,要提高PWM切换频率,首先须解决电磁干扰(EMI)问题,同时亦须改善周边功率元件的效能,使其能辅佐PWM并与之搭配;而MOSFET的选用即是个中关键。也因此,业界正积极投入研究GaN MOSFET的应用开发,期能藉此拉高PWM的切换频率,以进一步提高数位电源系统功率密度。 事实上,矽制程的MOSFET发展已有30年之久,开始迈入性能成长的停滞期。为满足市场对于更高功率MOSFET的期待,产官学界已开始投入GaN功率元件开发。如今,GaN MOSFET在功耗、驱动电流、导通电阻、起始电压、电源转换效率等方面,都已被证实能超越传统的MOSFET技术。

  不过,曾生元指出,GaN MOSFET仍有它发展的局限性,主因在于其采用的是全新制程,还未大量商用化,目前也并未被市场大量采用。许多新的GaN MOSFET应用效能研究还处于先期尝试阶段,包括数位电源系统亦然;若真的将产品推到商业市场,也还会遇到成本过高的桎梏,恐将不利于本就因成本问题而无法快速拓展应用市场的数位电源发展。

  尽管如此,曾生元仍然认为,在数位电源系统中采用GaN MOSFET将是未来清晰可见的研究方向,因此包括德州仪器等电源晶片大厂,都早已投入研发资源积极探究其未来发展的可行性。

  由以上探讨不难看出,电源晶片商对数位电源方案的发展前景皆相当乐观,并已积极厚实软体和硬体产品阵容,甚至着手投入新一代GaN功率元件研发,期迎合电子产品节能减碳设计风潮,搭上绿色电子商机。

 

 

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