2009年中国大陆电源管理IC应用发展趋势

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2007年中国大陆电源管理IC应用发展趋势

 

2007-6-29 8:56:00 中国报告大厅市场研究报告网 [打印本页] [推荐给朋友]

 

 

【报告来源】: 中国电子工程专辑

 


   近几年,由于中国大陆整机电子产品,特别是便携式消费电子、笔记本电脑、通信以及汽车电子等产品产量的大幅度增长,使得中国大陆电源管理芯片的应用规模也随之快速增长。

    2006年中国大陆电源管理IC市场销售额达到34亿美元,同比增长30.8%(见图1),大大高于全球12.9%的增长速度,已占全球电源管理芯片市场规模的13.7%。

    2007年,中国大陆电子产品整机产量将持续稳定增长,其中移动通信手持机、数码相机、PC电脑、LCD显示器等将保持20%以上的增长速度(见表1);3G应用的推广,使电源管理芯片将成为网络通信类电源管理芯片市场新的增长点;平板电视的普及和汽车电子也将促使电源管理芯片市场快速增长。北京奥运会是推动中国电源管理芯片增长的一大助力,奥运会所需的各类通信应用产品将催生出新的市场商机,因此,2007年将继续成为中国大陆电源管理IC高速增长的一年,其增长率将高于总体的模拟IC市场。预计2008年中国电源管理芯片市场规模将达54亿美元,占全球市场规模的18.3%。

    2007年,随着油价和半导体原材料价格的上涨,各种产品都对节能提出了更高的要求,也给电源管理芯片带来了机遇和挑战。中国大陆电源管理IC产品的发展趋势将围绕节能降耗展开,低能耗越来越受到厂商、消费者和政府的关注。高能效电源设计正在成为影响电子系统设计的关键技术之一;电源设计周期更短、低待机功耗、高能效、体积更小的要求,正在改变传统的电源设计方法,小体积、高集成、低功耗、高性能的产品将会受到市场的青睐。


图1:2003-2005年中国大陆电源管理IC市场的增长与预测。


表1:2006年国内主要电子产品产量与2007年预测 (单位:万台/万线)


表2: 2003~2005年中国大陆电源管理IC在不同领域市场的应用规模 (单位:亿美元)


表3 2006年中国大陆电源管理IC 市场销售排名 (单位:百万美元)
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产品功能复杂化引发电源管理革命,PMIC机遇与挑战并存

上网时间:2006年12月14日

电子市场中的便携与非便携电子产品的数量激增,而且每件产品中的元件数量也不断上升。这种趋势要求为电子产品提供有效率的电源管理解决方案,从而刺激电源管理集成电路(PMIC)产业的发展。

“电子产品产业致力于开发外形尺寸更小的产品,并把更多的特点集成在一个单一的器件之中。”Technical Insights的分析师Ashwini Meena表示。“电子产品数量大增,节能需求增强,要求厂商开发更高级和更可靠的下一代PMIC。”PMIC产业面临的主要挑战是其外形尺寸不断缩小,导致总体复杂程度上升。另外,为了应对便携电子产品尺寸不断缩小的趋势,PMIC也必须变得更小。设计小尺寸便携产品的需求,已导致半导体产业的制造工艺向更小的尺寸方向发展。IC的尺寸缩小和集成度的提高,造成了热管理问题。

Meena指出,研究人员正在开发具有创新性的封装技术,降低发热量,以解决上述散热问题。电源市场高度分散,而且PMIC领域竞争极其激烈。PMIC的应用领域非常广泛,厂商必须了电脑和外设、通讯、汽车、消费电子和工业等大型最终用户市场的技术发展情况。因此,PMIC产业需要高水平的创新,因为它必须跟上技术高度发展的电子产品产业。PMIC供应商需要满足电子产品产业的设计要求。

汽车行业中LED使用的增加是电源管理IC市场的主要推动因素。数字电源和相应监控软件、IP将成为电源管理IC领域的重要技术。   相关信息 * 什么是电源管理?
电源管理是指如何将电源有效分配给系统的不同组件。电源管理对于依赖电池电源的移动式设备至关重要。通过降低组件闲置时的能耗,优秀的电源管理系统能够将电池寿命延长两倍或三倍。

 

低压差线性稳压器(LDO)浅谈

上网时间:2006年08月16日  

摘要:本文论述了低压差线性稳压器(LDO)的基本原理和主要参数,并介绍LDO的典型应用和国内发展概况。

引言

便携电子设备不管是由交流市电经过整流(或交流适配器)后供电,还是由蓄电池组供电,工作过程中,电源电压都将在很大范围内变化。比如单体锂离子电池充足电时的电压为4.2V,放完电后的电压为2.3V,变化范围很大。各种整流器的输出电压不仅受市电电压变化的影响,还受负载变化的影响。为了保证供电电压稳定不变,几乎所有的电子设备都采用稳压器供电。小型精密电子设备还要求电源非常干净(无纹波、无噪声),以免影响电子设备正常工作。为了满足精密电子设备的要求,应在电源的输入端加入线性稳压器,以保证电源电压恒定和实现有源噪声滤波[1]。

一.LDO的基本原理

低压差线性稳压器(LDO)的基本电路如图1-1所示,该电路由串联调整管VT、取样电阻R1和R2、比较放大器A组成。

图1-1 低压差线性稳压器基本电路

取样电压加在比较器A的同相输入端,与加在反相输入端的基准电压Uref相比较,两者的差值经放大器A放大后,控制串联调整管的压降,从而稳定输出电压。当输出电压Uout降低时,基准电压与取样电压的差值增加,比较放大器输出的驱动电流增加,串联调整管压降减小,从而使输出电压升高。相反,若输出电压Uout超过所需要的设定值,比较放大器输出的前驱动电流减小,从而使输出电压降低。供电过程中,输出电压校正连续进行,调整时间只受比较放大器和输出晶体管回路反应速度的限制。

应当说明,实际的线性稳压器还应当具有许多其它的功能,比如负载短路保护、过压关断、过热关断、反接保护等,而且串联调整管也可以采用MOSFET。

二.低压差线性稳压器的主要参数

1.输出电压(Output Voltage)

输出电压是低压差线性稳压器最重要的参数,也是电子设备设计者选用稳压器时首先应考虑的参数。低压差线性稳压器有固定输出电压和可调输出电压两种类型。固定输出电压稳压器使用比较方便,而且由于输出电压是经过厂家精密调整的,所以稳压器精度很高。但是其设定的输出电压数值均为常用电压值,不可能满足所有的应用要求,但是外接元件数值的变化将影响稳定精度。

2.最大输出电流(Maximum Output Current)

用电设备的功率不同,要求稳压器输出的最大电流也不相同。通常,输出电流越大的稳压器成本越高。为了降低成本,在多只稳压器组成的供电系统中,应根据各部分所需的电流值选择适当的稳压器。

3.输入输出电压差(Dropout Voltage)

输入输出电压差是低压差线性稳压器最重要的参数。在保证输出电压稳定的条件下,该电压压差越低,线性稳压器的性能就越好。比如,5.0V的低压差线性稳压器,只要输入5.5V电压,就能使输出电压稳定在5.0V。

4.接地电流(Ground Pin Current)

接地电路IGND是指串联调整管输出电流为零时,输入电源提供的稳压器工作电流。该电流有时也称为静态电流,但是采用PNP晶体管作串联调整管元件时,这种习惯叫法是不正确的。通常较理想的低压差稳压器的接地电流很小。

5.负载调整率(Load Regulation)

负载调整率可以通过图2-1和式2-1来定义,LDO的负载调整率越小,说明LDO抑制负载干扰的能力越强。

图2-1 Output Voltage&Output Current

(2-1)

式中

△Vload—负载调整率

Imax—LDO最大输出电流

Vt—输出电流为Imax时,LDO的输出电压

Vo—输出电流为0.1mA时,LDO的输出电压

△V—负载电流分别为0.1mA和Imax时的输出电压之差

6.线性调整率(Line Regulation)

线性调整率可以通过图2-2和式2-2来定义,LDO的线性调整率越小,输入电压变化对输出电压影响越小,LDO的性能越好。

图2-2 Output Voltage&Input Voltage

(2-2)

式中

△Vline—LDO线性调整率

Vo—LDO名义输出电压

Vmax—LDO最大输入电压

△V—LDO输入Vo到Vmax‘输出电压最大值和最小值之差

7.电源抑制比(PSSR)

LDO的输入源往往许多干扰信号存在。PSRR反映了LDO对于这些干扰信号的抑制能力。

三.LDO的典型应用

低压差线性稳压器的典型应用如图3-1所示。图3-1(a)所示电路是一种最常见的AC/DC电源,交流电源电压经变压器后,变换成所需要的电压,该电压经整流后变为直流电压。在该电路中,低压差线性稳压器的作用是:在交流电源电压或负载变化时稳定输出电压,抑制纹波电压,消除电源产生的交流噪声。

各种蓄电池的工作电压都在一定范围内变化。为了保证蓄电池组输出恒定电压,通常都应当在电池组输出端接入低压差线性稳压器,如图3-1(b)所示。低压差线性稳压器的功率较低,因此可以延长蓄电池的使用寿命。同时,由于低压差线性稳压器的输出电压与输入电压接近,因此在蓄电池接近放电完毕时,仍可保证输出电压稳定。

众所周知,开关性稳压电源的效率很高,但输出纹波电压较高,噪声较大,电压调整率等性能也较差,特别是对模拟电路供电时,将产生较大的影响。在开关性稳压器输出端接入低压差线性稳压器,如图2-3(c)所示,就可以实现有源滤波,而且也可大大提高输出电压的稳压精度,同时电源系统的效率也不会明显降低。

在某些应用中,比如无线电通信设备通常只有一足电池供电,但各部分电路常常采用互相隔离的不同电压,因此必须由多只稳压器供电。为了节省共电池的电量,通常设备不工作时,都希望低压差线性稳压器工作于睡眠状态。为此,要求线性稳压器具有使能控制端。有单组蓄电池供电的多路输出且具有通断控制功能的供电系统如图3-1(d)所示。

图3-1 低压差线性稳压器(LDO)典型应用

四.国内LDO发展概况

中国集成电路(IC)产业经过40余年的发展,已经形成了一个良好的产业基础,并已经进入了一个加速发展的新阶段[2]。借鉴国外先进技术,充分利用国内优惠政策,是当前国内各个IC公司发展的立足点。

作为被广泛应用于手机、DVD、数码相机以及Mp3等多种消费类电子产品中的稳压芯片,LDO已引起人们的高度重视。国内早期从事LDO生产的圣邦微电子有限公司生产的SG2001、SG2002及SG2003系列LDO,足以满足当前市场上主流电压、电流的需要;它的SG2004、SG2011以及SG2012系列产品,非常适合于大电流负载应用;而它的SGM2007/2006/2005系列RF LDO更适用于手机电源的应用。尽管是国产芯片,但这些芯片的性能丝毫不逊色于国外同类产品,而价格更适合于当前国内市场。

由此看来,国内与国外IC发展的差距将不会越来越大,每个国人都可以相信,中国不仅可以成为IC产业的新兴地区,更能成为世界IC强国。

参考文献

1.王国华,王鸿麟,羊彦等.便携电子设备电源管理技术.西安电子科技大学出版社.2004,1

2.蔺建文.正在崛起的中国集成电路产业.国家集成电路设计西安产业化基地.2002

作者:曹会宾

 顺应电源管理集成趋势,芯片厂商妙招不断 更新于2006-11-30 09:25:17 来源:电子工程专辑
        在提高功率密度的需求下,用于工业的电源模块不仅向着低电压大电流的方向不懈努力,而且体积也从1/4砖、1/8砖、到1/16砖不断缩小着;与此同时,便携设备配套的电源部分在PCB板上占据的“地盘”也被挤得越来越小。

        为了满足设备对电源提出的持续缩小尺寸、降低成本等苛刻要求,电源芯片厂商正尝试把线性稳压器、DC/DC转换器、PWM控制器、LDO和充电IC等不同元件集成到单个器件上,以提供完整的电源解决方案。很明显可以发现:功率集成技术越来越简化了电源的结构。

功率器件被广泛的集成

        在AC/DC转换器中集成PFC或PWM,能有效减少电网污染并提高转换效率,这已经得到广泛普及。此外,很多功率器件,如MOSFET、二极管等也与PWM控制器等一起,被集成在单一芯片内,从此在PCB上“消失”。目前不仅一些国外半导体厂商有此类产品,很多本土厂商也陆续推出很多产品,在此不再赘述。

多个LDO与DC/DC集成

        通过多个LDO与DC/DC的集成,单一芯片可为设备输出多路电压,满足产品中不同部件的不同电压需求。并且,在轻载的时候LDO代替DC/DC转换器工作,有利于实现更小的噪音以及更高的效率。例如在美国国家半导体(NSC)的PowerWise能源管理单元的系列产品中,就把LDO、升压/降压功能或MOSFET集成在DC/DC内。NSC亚太区便携式设备电源管理产品市场经理罗振辉介绍,“我们的LP3971产品中内置了3个高效率的1600mA可设定降压转换器及6个可设定的LDO稳压器,因此可以满足像英特尔XScale处理器等单片机系统的严格供电要求。”

        此外,TI也有款电源管理产品TPS65020集成了三个具备集成FET的同步降压DC/DC转换器、三个线性稳压器以及一个I2C通信接口,可实现全面的可编程性与内核电压的动态电压缩放。该器件可用于包括智能电话、PDA、数码相机以及便携式音频与媒体播放器等。该器件的开关频率为1.5MHz,使设计人员能够采用诸如2.2μH电感器等小型外部组件,从而显著节省板级空间。

         除了集成多个DC/DC和可编程稳压器外,意法半导体还把一个完整的USB-OTG模块和主流的存储卡接口,以及处理器电源监控和复位监控组件集成到STw4810。其中一个独立的DC/DC降压转换器在600mA下为处理器内核提供1V到1.5V电压,另一个为I/O功能和通用功能提供1.8V的电压。三个LDO可编程稳压器给辅助设备和外设接口供电。USB OTG标准解决了市场对便携设备如手机、相机、PDA和MP3播放器之间无需连接主机即可在低功耗条件下互相通信的要求。

图1:全球电源管理市场增长迅猛


更多安全功能的集成

        为了预防难以预测、具有潜在危害的瞬态电源尖峰和过热环境的风险,增强系统保护能力,一些标准功能,如外部保护,可被集成进IC里。比倒装芯片的封装还要薄的NCP1526厚度仅为0.55mm,是安森美一款采用UDFN封装的集成转换器,它不仅集成了低噪声LDO,高频振荡器,而且把软启动、逐周期电流限制和热关机保护等增值特性也集成了进去。尤其适合PMP、MP3播放器、手机数字多媒体广播或手持终端数字视频广播芯片组等多媒体便携式设备的应用微处理器供电。

        通过把热插拔控制器和基于12位模数转换器(ADC)集成进数字电源监视器,美国模拟器件公司(ADI)的ADM1175-8系列,能够有效地测量和管理刀片式PC和电信系统中的功耗。其中热插拔控制器可以保护板卡免受电源和过热的瞬态冲击,并且允许板卡从2.7至14V供电的背板在工作期间安全地插入和拔出;数字电源监视器可以测量每个板卡的电源使用状况并且通过数字接口将数据发送给片外控制器。高度集成后,元器件成本比分立解决方案减少了33%,并把通常仅每秒100次采样提高到每秒10,000次采样。

未来必定还有更广的集成组合

竭尽妙招解决集成负面影响


        集成可以提升电源性能。集成之后的电源变成一个密封的模块,电源连线之间的电感、电磁干扰等大大减少。“更多的集成意味着外部更少的元件数量,对工程师来说,减少外部元件的变数,能带来更高的可靠性,并简化其设计。”安森美半导体亚太区电源管理产品经理蒋家亮认为,“不过由于IC电路的复杂度提高,有可能会产生寄生元素。对于这个弊端,我们一般通过关闭电敏感器件或用消隐功能来解决。”由于在设计芯片的时候,考虑了市场和客户的需要,故设计出来的产品能针对客户所需,如驱动能力高、EMI抖动效果好、高能效、过压保护、低待机能耗、简化电路设计等等,他补充道。

        电子产品越做越小,这导致大量的热集中在较小的范围,容易引起温度过高,引发散热难题。蒋家亮建议设计工程师通过良好的PCB布局来解决散热难题;或者采用表面贴装(如QFN)器件来代替直插穿孔器件。此外,NSC有一些新开发的电源产品带有热能调节功能,以LP3971为例,系统设计工程师只要采用动态电压调节技术,供电系统便可根据处理器的工作量及时钟频率调节输出电压,帮助系统进一步降低功耗。

        对于IC供应商来说,使更多功能集成在芯片上,也是抵抗价格不断下降的一种方式,以在激烈的竞争中保持优势。“不过在模拟IC设计中,集成化进度稍微慢一点,这归结于需要使用大量的被动器件,譬如电感和电容。”Micrel公司电源产品市场总监Ralf Muenster指出,“例如在模拟电源管理中,一种典型的集成方式是将几个线性稳压器整合进单一的电源管理IC中。由于IC封装所能消散的最大热量有限,所以一定程度上限制了集成。由于线性稳压器的效率就是输出电压与输入电压的比率,这是很大一个限制。”

深耕芯片级之外,半导体厂商尝试电源模块领域

        “电源设计的未来趋向是更轻巧,设计师不想再要一些外围的元器件,只希望用一颗电源管理IC便能大功告成。”蒋家亮指出,“我们预计对集成化电源管理芯片有大量市场需求的应用将包括机顶盒、DVD、笔记本电脑适配器、ATX、LCD电视显示器电源、打印机电源等。DC/DC稳压器会是安森美一个集成发展的方向,以满足高功率密度、低能耗及高能效的要求。”

        不仅局限于芯片级,由于高集成电源管理产品本身也是由不同的电源模块组成,一些没有体积限制的电子产品的制造商也会选择电源模块以增加设计的灵活性。相比于模块电源厂商,半导体厂商的微型电源模块往往体积更小。目前许多半导体厂商表示,未来电源模块与高集成电源管理方案将一同发展。TI、凌力尔特、IR等半导体公司也都推出了自己的微型模块化产品。罗振辉也透露,“NSC未来将同时开发不同的高集成度电源管理方案及电源模块,以满足不同客户的需求。”

        事实上,并不只是没有资源或不具备技术专长的公司开始青睐集成程度高的电源管理芯片。“其实对我们来说,公司有足够的开发资源。但确定合适的DC/DC控制器IC、MOSFET、电感器、电容器、电阻器和二极管等都需要花费时间,而且后期还得再进行复杂的调试。”某电子公司电源工程师表示,“考虑到快速上市的压力以及有限的PCB面积,我们还是选择了凌力尔特这款10A降压型DC/DC——μModule LTM4600。这款芯片内置电感器、MOSFET、DC/DC控制器、补偿电路和输入输出旁路电容,使我们投入在这方面的设计力量大为减少,而且PCB变得非常简洁。值得一提的是,它还可以并联使用从而把负载电流能力提高到20A。”目前μModule系列又新增了5款产品,广泛应用在航空电子、工业、医疗、电信、刀片服务器、测试/测量等领域。     

数字电源的大规模应用尚需降低成本和编程门槛

上网时间:2007年03月01日  现在电源系统设计人员必须应对极其复杂和密集的电源要求。比如,中间总线电源设计工程师必须针对更广泛的负载、更低的输出电压以及多种电源同步进行管理,这导致在产品的设计、生产测试及日常使用的过程中,配置、控制及监控这些电源变得更加复杂,包括控制上电/下电时序、系统级控制和诊断。在各种工频和负载条件下都能灵活、可靠工作的数字电源管理芯片可满足所有这些的需求。

“虽然模拟控制在过去几年间不断进步,但模拟控制的方法已达到了极限。数字电源,尤其时数字控制技术正处在萌芽期,它们可为下一代电源系统提供更高的性能、更高的功率密度和更高灵活性,并缩短系统集成商和电源制造商的开发时间。”飞兆半导体公司亚太区总裁兼董事总经理郭裕亮表示。

相对模拟控制技术,数字控制技术的独特优势包括在线可编程能力、更先进的控制算法、更好的效率优化、更高的操作精准度和可靠性、优秀的系统管理和系统连接功能,以及更高的集成度。由于不存在模拟控制器中常见的误差、老化、温度影响、漂移、补偿等问题,数字电源更易于实现非线性和多环路控制等高级控制算法。

实际上,随着越来越多的数字电源产品的面世,数字电源已经进入实质性应用阶段。数字技术已在包括UPS、通信基础设施、数据中心/服务器等负载点应用中得到采用,这些数字电源系统被用来支持电信交换机、服务器或其它复杂的计算系统。但德州仪器(TI)数字电源业务发展经理Steven Bakota认为,数字技术的价值也会根据不同的电源应用而有所差异,例如,简单的应用通过业界标准协议(如PMBus)实现控制与配置,复杂的应用借助引擎处理能力,采用结构化的动态工作模式提高电源可靠性及效率。

“预计数字电源会在未来几年更加普及,它将帮助应用不断降低系统成本和功耗。”Microchip公司应用区域经理Lucio Di Jasio表示。他认为数字电源的转换将以一种渐进的方式进行,在纯模拟电源应用和全数字实现间最起码有3个数字控制“辅助”模拟电源电路的整合层次。Microchip的数字电源控制器产品可以分为四个级别,在推出了开关控制、比例控制、拓扑控制产品后,该公司才推出了第四级全数字控制器,即最多可以支持四路输出的 16位dsPIC数字信号控制器(DSC)系列。

然而,数字电源技术的快速发展并不意味着数字技术将很快占据电源市场的主流。虽然数字控制方法的优点在负载点 (POL) 系统非常明显,但模拟电源在分辨率、带宽、与功率元件的电压兼容性、功耗、开关频率和成本(在简单应用中)等方面占有优势。

NSC南中国区业务总经理何
贤斌:目前还没有证据显示
数字电源管理芯片在成本方
面比模拟解决方案更具竞争
优势。

Intersil公司应用工程总监Greg Miller也认为在数字IC与电源管理IC的接口部分采用数字电路能提升效率,但是在电源管理IC内部,模拟控制能实现更小的芯片尺寸和功耗。

“数字电源管理芯片适合较高级及复杂的系统采用,但对负载较为恒定的系统来说,例如信号路径、射频系统及低功率数字电路,数字技术便无法充分发挥其优势。”美国国家半导体(NSC)南中国区业务总经理何贤斌表示。他坦言数字电源管理IC目前顶多只能在效率方面赶上模拟IC,性能与功能上还未能及,而且目前还没有证据显示数字电源管理芯片在成本方面比模拟解决方案更具竞争优势。

成本显然是约束数字电源广泛应用的一个主要因素,因为在某程度上,只要能以要求的成本提供所需的功能,最终用户并不会关心是数字方式还是模拟方式。由于数字实现方式的成本看似高于相似的模拟实现方式,人们对于数字电源产品的采用存在顾虑。

其次,通信总线与接口的标准化、可编程平台的标准化、以及内核与周边器件协议管理的标准化是数字电源管理实现规模商用的主要挑战之一。因此,何贤斌认为在PMBus 等接口标准成为公认的业界标准之后,数字电源管理解决方案方会广受市场欢迎,而模拟和数字控制技术未来数年内将共存在市场上。NSC的PowerWise技术属于系统级数字电源管理技术,它允许处理器和其它数字产品供应商集成和利用PowerWise EMU器件(如LP5550)的数字接口和数字回路控制。

软件设计对电源系统设计人员而言是另一个挑战。软件在电源应用中有着举足轻重的地位,电源设计工程师必须了解如何设计并优化软件模块,而编程并非模拟工程师的强项。为降低数字电源的设计门槛,很多半导体厂商推出了不需要软件编程或者支持图形用户接口(GUI)的数字电源解决方案,包括Zilker Labs公司基于其Digital-DC专利技术的电源管理和转换芯片ZL2005、TI公司的单相UCD9111与双相UCD9112控制器、Silicon Labs公司的Si8250数字控制器等。

毫无疑问,随着数字控制技术的发展,模拟控制较与数字控制的优势将慢慢缩小,但从数字电源到模拟电源的转换过程还需要很多年,因此模拟和数字控制技术将在未来数年内共存。

作者:Ellie Zhang