当人们在津津乐道于各种带有炫目功能的便携式电子产品时,请不要忘记与您生活息息相关的传统家电和新兴的数字家电产品。让我们来计算一下,中国作为全球传统消费电子产品的第一生产大国,每年生产约5000万台空调,2000万台洗衣机,3000万台冰箱,4000万台微波炉,那么,他们需要多少电源管理IC?在今天“节能、环保”呼声高涨及各国相关标准或法规颁布的情况下,其中蕴含了多少对新型节能型电源管理半导体的需求商机?

除了上述节电大户,数字化正引领其它家用电器的新潮流,众多以“数字”冠名的家用消费电器如数字机顶盒、数字电视和数码录像机等等,也正迫切期待电源管理半导体技术以全面革新的面孔迎合需求。据IDC预测,数字机顶盒和数字电视半导体生产规模将由2003年的31亿美元扩大到2008年的93亿美元,年复合增长率为25%。可以说,每一个向数字化转变的产品都将使电源管理半导体的设计重新定义,同时促进电源管理技术蓬勃发展。

未来,节能型“数字家庭”即将闪亮登场,真正与您亲密接触。预计在未来5年内,随着中国电子整机产品不断增产以及产品升级的带动下,电源管理IC的需求量将稳步扩大,并保持较高的增长速度。据来自赛迪顾问的数据显示,预计2005年中国电源管理IC销售额将达到201.6亿元,与2004年同比增长21.9%,其中消费电子类产品占27.6%,是最大的应用市场之一。2006~2007年中国电源管理IC市场将进入一个加速发展的时期,2005~2009年市场年复合增长率预计高达28.7%,到2009年规模可达到582.6亿元。

本文将从白色家电和数字家庭消费电子两大部分着手,介绍当前全球领先的电源管理半导体供应商们对于这两部分市场最新的技术趋势、产品、解决方案以及市场观点。

安森美半导体亚太区模拟产品部产品经理蒋家亮

白色家电:倡导节能

人们已经获得共识,即由于能源短缺问题的日益加剧,加上中国生产及消费的白色家电产品市场总量巨大,家用电器的节能问题日益突出。“家用电器对电源管理IC的需求量在过去几年有着突飞猛进的增长,未来几年也将保持这个态势。”国际整流器公司中国区总经理邢安飞如是说。安森美半导体亚太区模拟产品部产品经理蒋家亮也表示:“预计未来几年内必然有更加大量的电源管理类产品应用于白色家电市场。”

节省能源成为焦点所在。很多国家和地区颁布了相关法规,中国作为全球重要的家电生产、消费和出口国,电子整机产品必须也符合全球的1瓦倡仪标准,即待机功耗必须低于1瓦。中国能源标签规范也于2005年3月1日生效,旨在提高设备的能源效率并减少温室气体的排放。“1瓦倡仪,以及欧盟RoHS指令、功率因数校正(PFC)等政府和机构制定的法规,正在从根本上改变电器设计的流程,这意味着今天家电的设计将会与以往显著不同。”飞兆半导体公司亚太区总裁兼董事总经理郭裕亮说。

未来家电市场需要的是高能效、低成本、高可靠性的设计方案,电源效率和待机功耗这两点更是得到越来越多的关注。邢安飞指出:“对于一个家电产品能否做到这一点,电源管理IC的性能指标起到了举足轻重的作用。”

“近些年来冰箱、空调、洗衣机等白色家电应用开关电源取代传统线性电源已成为大势所趋。特别是今年以来,呈现出一个明显上升的态势。”On Semi的蒋家亮说。该公司在家电领域与众多国内著名品牌合作,较早就开始将开关电源应用于白色家电,如应用于空调设计中的低功率离线电源脉宽调制控制器NCP1200、单片集成控制器NCP1014、用于冰箱的低成本控制器NCP1215A等,这些电源方案的最大特点就是实现了极低的待机功耗。此外,On Semi的功率因数校正(PFC)控制芯片NCP1650可提供高达3KW的输出,为大功率变频空调的PFC提供了良好的选择。

Fairchild开发出两款能满足不断增长的高性能和能源效率需求的产品FPSTM 和SPMTM。其中功率开关(FPS)是高度集成的离线功率开关,待机期间SMPS的负载电流下降,同时由绿色FPS提供能量突发脉冲,从而满足1瓦倡议的功率要求。而智能功率模组(SPM)套件可为低功率电机驱动提供高能源效率,可以提升40%以上的效率。

ST Microelectronics也在采用开关模式电源,用于取代效率较低的线性电源和满足低待机功耗要求(<1W)。同时,ST针对洗碗机和电磁炉等领域提供高效率的新型解决方案还包括:逆变器类型的马达控制,用于BLDC/AC感应/SRM/线性马达;功率因数校正模块,用于降低总体谐波失真和提高效率。

英特矽尔通用电源事业部副总裁Davin Lee。

智能家电促进更多地使用智能半导体

Intersil公司的通用电源事业部副总裁Davin Lee分析说:“为了符合绿色要求,整机必须达到某种效率水平使功耗最小,这促使厂商更多地采用开关调节器,并采用智能化更高的功率管理解决方案。”他解释说,开关调节器具有更高的效率指标,而智能化更高的功率管理解决方案则可能使用微控制器或PMU(电源管理单元),微控制器和/或PMU将控制电源分配,以获得最高的每瓦特性能。

智能型家电的日益普及更为此推波助澜,其功能的加强将相应增加对电源管理芯片的要求,需要采用更高性能的处理器或微控制器。Microchip表示该公司专注于提供高性能的微控制器,满足白色家电智能化的需求。Intersil则表示正在开发下一代智能电源管理解决方案,将具有高度可编程性和高度灵活性,可根据具体情况进行调节从而获得最佳性能。

Fairchild的郭裕亮也认为,智能白色家电的重要意义在于智能半导体将有助实现体积更小和效率更高的驱动器和电机。它能改变电机的尺寸和形状,并提高其效率和散热能力,因此可以放入更小型的封装中,这在空调和吸尘器应用中显得尤其重要。该公司最近推出业界首款针对部分功率因数校正开关转换器的智能功率模组PFC-SPM,其低开关损耗电路拓扑和先进的基板封装可在1-3kW的空调应用中提高系统的可靠性。

On Semi也计划于年底前推出一款新型的电流型单片集成稳压器NCP1027,内阻低至5W,在宽电源输入的条件下可提供高达15W的功率,特别适合空调、冰箱等白色家电的使用。NCP1027提供了一个可靠、低成本电源所需具备的多种性能,输入欠压保护、过流保护等功能保证电源可靠性。动态自供电简化电路设计,跳周期工作模式实现极低的待机性能。

ST亚太区微控制器、线性产品及分立器件部市场开发经理Arnaud Bonnet表示:“不论是采用新型马达、新型负载还是智能电子模块,都意味着电器成本和价格将会上涨,刺激人们普遍采用高效能白色家电的最大挑战在于低成本的解决方案。”为此,ST利用便宜的电子恒温器取代机电双金属恒温器实现冰箱的温度调节,最多可以节电30%,采用ACSTM的解决方案还可以通过关断压缩机电子PTC而节电5%。同时混合发射极开关双极晶体管(ESBT)可在较高的电压上提供非常低的功耗,用于电磁炉的准谐振SMPS或者变频微波炉。

向数字电源管理过渡

电器的多功能化和智能化在促进电源管理系统向数字控制方向发展,不过,尽管这一趋势存在,但过渡却十分缓慢,多数厂商并不认为转变将得以快速实现。郭裕亮表示:“在十年内,数字控制技术将主导市场,成为标准家用电器中控制电机的主力方案,不过也要看政府的法规和能源成本的推动力度。但单单提高效率和节省能源就可使电器的数字控制在未来一段时期具备存在价值。”

微芯技术公司安全、微控制器和技术开发部产品市场经理Fanie Duvenhage

Microchip公司的安全、微控制器和技术开发部产品市场经理Fanie Duvenhage也认同这一趋势,但他认为目前推动数字控制的是电信和消费电子等需要更复杂电源系统的市场,预计向数字化的过渡将比较缓慢。On Semi的蒋家亮也不否认数字电源为电源功能的扩展以及更加优良的控制提供了广阔的空间,但他说:“由于电源系统的复杂性及非一致性,数字电源要得以广泛的应用还有很长的一段路要走。至少在未来的5-10年内仍将是传统模拟电源管理方案的天下。”

Fanie Duvenhage分析说,数字控制器进入电源有几个途径,可归纳为四个层次:首先增加难以利用模拟元件实现的简单功能,如利用一个小型微控制器提供占空比从0到100%的PWM波型,为转换开关电路提供一种软启动功能。其次围绕比较传统的模拟电路提供次要的管理功能,但功率控制回路仍然完全是模拟的。第三,MCU还对开关和增益进行数字控制,但反馈回路仍主要是采用模拟方式。第四层则实现所有参数的数字控制和分析,并提供适当的输出。

Intersil的Davin Lee则认为:“随着时间的流逝,我们预计多数智能电源管理解决方案将成为一个数字控制系统的一部分。由于电源管理越来越多地使用通讯总线(即I2C,PMBus)用于数据传输并要求额外的可编程性,因此向数字控制系统的过渡将会比较迅速。”

对此,IR的邢安飞认为:“数字化是电源管理系统的发展方向之一,软件编程也将得到更多的应用。但是数字化不等于软件编程,而可以通过DSP方案来完成动作。”他介绍说,目前市场比较熟悉的方案是通过微控制器或DSP来执行输入的软件指令序列,控制执行部件(如电机)完成动作。DSP方案运用起来比较灵活,但存在执行速度、稳定性等方面的不足。IR拥有独特的技术,将程序硬件化,结合了软件编程的灵活性和硬件执行的速度和可靠性。这一方案将整个算法分割成一些单独的子算法,在数字逻辑器件中硬件化;在所有这些硬件化的算法之上,通过一个调配器来实现控制。

数字消费电子:均衡高集成度、小封装与复杂的多电压轨管理

家庭生活中的电器产品已经越来越多,从过去的VCD、DVD播放机、DVR、DVD录像机到现在的数字电视、数字机顶盒、数字视频广播(DVB)、高清晰度有线广播,以及未来的无线宽带数字广播等等,耗电量也相当可观。对于那些想要出口欧美等地的中国OEM和EMS厂商,需要满足国际能源署(IEA)、美国环保署(EPA)等组织设立的高效能、空载能耗或谐波电流标准及强制的规定时间期限,中国的中标认证中心(CECP)也在产品能效和待机认证方面设立了标准。例如,全球中期目标是机顶盒的工作/待机功耗分别不超过8W和1W,DVD的功耗不超过1W,以有效地促进节能和支持环境保护。

ST的Arnaud Bonnet表示其产品线已经满足了所有这些需求,该公司提供的L6568和L6599半桥谐振控制器IC在LCD电视中的待机功耗分别达到了小于1W和小于0.75W的水平。VIPer53 (PWM + MOS)和L5991 PWM也可以使DVD/机顶盒中的反激型拓扑实现小于1W的待机功耗。用于大屏幕LCD电视的PFC控制器L6563也符合小于1W的要求。

美国国家半导体亚太区便携式设备电源管理产品市场经理罗振辉

芯片封装技术革新带来明显降耗效果

对更多功能与更小尺寸的需要正促进芯片采用高度集成的技术和更小封装,从而降低功耗。NS的亚太区便携式设备电源管理产品市场经理罗振辉介绍说,该公司LLP及micro SMD封装是市场公认性能非常可靠而体积又小巧的封装,适用于高脚数的电源管理集成电路。同时,NS还利用内置降压稳压器的输出为内置低压降稳压器的输入提供供电,以减少能源浪费。IR公司的iPOWIR系列产品即是高度集成的、高效率DC/DC转换模块,与分立器件设计的同类电路相比,整体设计更加可靠、更加简化,可节省59%的空间;在额定功率范围内工作不需要散热片,也不需要考虑EMI问题。

ST的Arnaud Bonnet也指出:“封装技术在降低功率损失方面也起着关键作用。” 该公司BCD技术和MOS技术不断降低占位面积/导通阻抗,提高功率密度并可以采用更小的封装。如VIPer12/22/53把一个PWM控制器和一个730V功率MOSFET器件集成到一个单一的SO-8/DIP-8封装之中,使设计人员能够采用更加简单和可靠的设计结构,从而减少元件数量,使系统成本降至最低。

Microchip还在努力为所有器件开发更小的和热性能更优异的封装,如采用6管脚SOT-23封装的8位微控制器,以及最近宣布的几款采用4×4 QFN封装的产品。所有这些微控制器都能从一个内部集成式振荡器运行,并利用内部电路显著降低了EMI。

多电压输出的控制与管理

功能的多样化表现令消费电子终端产品的电源管理系统日趋复杂,输出电压数量逐步增多,散热和EMI干扰等问题随之接踵而来。让我们来看看各领先厂商的拿手解决方案。Microchip的Fanie Duvenhage说:“DVD和数字电视等多数消费电子产品,需要类似于PC的性能更高的处理能力,这推动了对于更加智能的电源的需求。”他表示该公司目前最成功的设计是采用一个微控制器监控多个电源轨、检查欠压条件、控制启动条件、补偿温度,以及执行其它功能。目前已有6、8、14和20管脚的微控制器,为管理比较复杂的电源系统提供了一种性价比很高的方案。

凌特公司电源管理业务部
副总裁兼总经理Don Paulus

凌特公司的电源管理业务部副总裁兼总经理Don Paulus举例说,集成了数字TV功能的DVD播放器等高端便携式产品可能需要10种或更多不同的电压,以驱动处理器、存储卡、无线收发器、显示器、电动机、电池充电器等等。一个自然的解决方案是提高很多电源系统组件的集成度,但若让一个芯片具有更多功能可能导致总体性能下降,因为存在串扰和噪声以及由于热量集中导致热管理问题加重。因此,Linear用新型多输出和多功能专用标准产品(ASSP)来满足这些需求,这些专用标准产品都采用热效率非常高的封装。专有的工艺技术和设计方法降低了噪声和EMI,而且不牺牲电源转换效率。

Intersil的解决方案是采用一个多输出控制器产品系列。ISL6441和ISL6443提供了双PWM控制器和一个单一的线性控制器。对于那些寻求具有集成无源元件的解决方案的人来说,即将推出的ISL6455具有一个集成式同步降压调节器和一个双重LDO,只需一个器件就可以获得三个可编程输出电压,而且不需要牺牲电路板空间和效率。其中PWM控制器IC的“脉冲模式”功能可以使应用在节能模式下实现较低的功耗。

Fairchild的郭裕亮认为:“要在系统中设计具有适当输出电流、高传输效率、低噪声和小占位面积的电源管理IC,方法之一是采用准谐振拓扑。”他指出,这些拓扑结构提供低噪声和高效率,并允许器件以较低的电压工作。为了获得具低输出电压的高效率,采用准谐振技术的AC/DC电源和产生极低输出电压的DC/DC转换器是极具成本效益的方案。例如,在机顶盒中,视频处理IC的集成度便越来越高。在终端产品的封装越来越小的情况下,PC电路板面积变得极为珍贵,节省宝贵的PC板面积的一个方法是加大工作频率,这将会减小许多无源元件的尺寸。举例说,许多DC/DC转换器的工作频率便为1MHz以上,如Fairchild的FAN2011/12 和FAN5330/31。

ST以LCD电视为例阐述了其解决方案。Arnaud Bonnet表示,迄今为止LCD电视还没有真正对功率需求进行标准化,因此在不同的设计中其电源输出电压和负载条件可能各不相同(从至少3个输出到11个输出电压轨)。在设计方法方面,可以采用多转换器和拓扑以获得最佳的性能和成本结构。ST的L6598 IC及其半桥谐振拓扑是很受欢迎的解决方案,与传统的反激式或准谐振设计不同,它能够通过在3个最关键的输出轨(面板背光/音频/调谐器)上的简单反馈实现完美的调节。其余的低功率转换器和待机部门可以分别利用ST的L6566准谐振IC或VIPer22 (具有集成式功率MOS的PWM控制器)实现。智能开关调节器和DC-DC驱动器,如ST的L4973x & L6732 同步降压控制器,工作频率可以高达500khz,如果有超过3个的高功率输出轨,也是一个可行的替代方案。

作者:余敏

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