工業(yè)應(yīng)用日趨復(fù)雜，高集成電源模塊成新寵

電源管理芯片是技術(shù)比較成熟的產(chǎn)品，國(guó)內(nèi)外廠家之間的競(jìng)爭(zhēng)也非常激烈，采取哪些舉措來(lái)確保行業(yè)領(lǐng)先的地位，一直是各家大廠不斷思考的課題。

 

Intersil公司戰(zhàn)略及基礎(chǔ)設(shè)施電源產(chǎn)品高級(jí)副總裁Mark Downing在電源管理行業(yè)有著數(shù)十年的工作經(jīng)驗(yàn)，在接受本刊采訪時(shí)他指出，隨著系統(tǒng)需求發(fā)生變化，電源管理技術(shù)需要及時(shí)改進(jìn)，使之成為最活躍的創(chuàng)新領(lǐng)域之一。因此，雖然電源管理技術(shù)早已存在，但當(dāng)前的解決方案已顯著有別于其最早形態(tài)。不斷變化的化學(xué)電池、對(duì)環(huán)保技術(shù)的更加重視、對(duì)移動(dòng)性和更小外形的渴望都在使傳統(tǒng)電源管理解決方案發(fā)生改變。現(xiàn)今的系統(tǒng)要求極高的效率水平和更小的尺寸，這要求更高的集成度以及電路設(shè)計(jì)、封裝和工藝技術(shù)專業(yè)知識(shí)，許多情況下還要求全面采用數(shù)字電源。

 

Intersil公司戰(zhàn)略及基礎(chǔ)設(shè)施電源產(chǎn)品高級(jí)副總裁Mark Downing

 

例如在移動(dòng)設(shè)備市場(chǎng)，客戶面臨激烈競(jìng)爭(zhēng)，業(yè)務(wù)變化非常迅速，由于需要在不斷為其產(chǎn)品添加新特性和功能，同時(shí)還要延長(zhǎng)電池續(xù)航時(shí)間，所以他們對(duì)電源具有苛刻的要求。隨著終端變得更小、更薄、以及電路板面積縮小，將這些功能集成在單個(gè)芯片上的需求顯著上升，而這正是Intersil帶給客戶的重大優(yōu)勢(shì)之一。

 

而在工業(yè)和基礎(chǔ)設(shè)施市場(chǎng)，為支持先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)處理器、內(nèi)存、FPGA和ASIC，電壓軌的數(shù)量正在不斷增加，使得電源設(shè)計(jì)日益復(fù)雜，這需要更多DC/DC轉(zhuǎn)換器來(lái)管理電源負(fù)載。隨著電源需求變得更加復(fù)雜，電源管理同樣變得更加復(fù)雜。在這個(gè)原因下，為了節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，電源模塊重新流行起來(lái)。利用先進(jìn)IC及封裝來(lái)提供高效和一攬子電源解決方案的高度集成電源模塊，將使系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師無(wú)需成為專家也能采用最佳電源技術(shù)。

 

工業(yè)開(kāi)關(guān)電源的集成趨勢(shì)

 

圖1展示了工業(yè)開(kāi)關(guān)電源的集成趨勢(shì)：綠色區(qū)域代表現(xiàn)有完全集成式同步降壓穩(wěn)壓器的技術(shù)，即所有的調(diào)制器、驅(qū)動(dòng)器、功率MOSFET都集成在一個(gè)IC中；藍(lán)色區(qū)域則代表功率MOSFET和調(diào)制器分立的產(chǎn)品方案。Intersil公司工業(yè)電源市場(chǎng)與應(yīng)用總監(jiān)Lokesh Duraiappah說(shuō)十年前，綠色區(qū)域面積要比藍(lán)色區(qū)域小得多，但隨著LDMOS技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多集成的解決方案被開(kāi)發(fā)出來(lái)。不過(guò)，追求高輸入電壓和低電流的情況例外，只能選擇控制器+外部功率MOSFET的解決方案來(lái)實(shí)現(xiàn)。

 

 

圖1：工業(yè)開(kāi)關(guān)電源的集成趨勢(shì)

 

Lokesh Duraiappah認(rèn)為，數(shù)字控制器最重要的是PMBus遙測(cè)功能，通過(guò)該功能可監(jiān)測(cè)每一個(gè)負(fù)載的溫度、過(guò)電、過(guò)壓功能，因此主要應(yīng)用于對(duì)功率順序和電壓余量有較高要求的場(chǎng)合。例如，現(xiàn)在計(jì)算、通信、服務(wù)器等應(yīng)用都在使用FPGA，它有多個(gè)電壓軌，功率順序非常重要，這時(shí)數(shù)字控制器的靈活性要優(yōu)于模擬控制器。但對(duì)工業(yè)應(yīng)用而言，它們往往不需特別高的功率，電路也不是特別復(fù)雜，對(duì)于PMBus遙測(cè)功能沒(méi)有非常嚴(yán)格的要求，反而是對(duì)占板空間、效率、解決負(fù)載點(diǎn)問(wèn)題的需求很強(qiáng)烈，因此模擬控制器更為適合。

 

但他也同時(shí)指出，現(xiàn)在市場(chǎng)上對(duì)于消除中間級(jí)總線，直接把高壓(比如40V、36V、42V)轉(zhuǎn)化為低壓(包括3.3V、5V或者1V)的呼聲越來(lái)越高。此外，隨著FPGA、MCU、ASIC復(fù)雜性的日益上升，電壓軌數(shù)目增多，以及備用電池的使用增多等，也都正在成為工業(yè)通用型電源發(fā)展的新趨勢(shì)。

 

工程師在進(jìn)行工業(yè)電源設(shè)計(jì)時(shí)，該如何選擇控制器？他該最先關(guān)注哪些功能或參數(shù)？Lokesh Duraiappah對(duì)此回應(yīng)稱，很多參數(shù)都是值得考慮的，比如輸入電壓范圍、輸出電壓范圍等。從控制器角度來(lái)講，一個(gè)重要的因素是可以支持的最小接通時(shí)間，因?yàn)橹挥性谧钚〗油〞r(shí)間非常低的情況下，才有可能實(shí)現(xiàn)大幅度調(diào)整；其次可以關(guān)注柵極驅(qū)動(dòng)，即它能驅(qū)動(dòng)的功率MOSFET的最大是多少；第三則要看易用性，在默認(rèn)設(shè)置上看搜索頻率、軟啟動(dòng)還有引腳數(shù)量是否滿意；第四大要素是開(kāi)關(guān)頻率，在擁有很高的開(kāi)關(guān)頻率的情況下，對(duì)電流波、效率、電感尺寸的選擇余地就非常大。當(dāng)然，參考設(shè)計(jì)的使用也非常關(guān)鍵，畢竟誰(shuí)都不愿意從頭再去對(duì)一個(gè)芯片做研究和探索。

 

但不論技術(shù)如何改進(jìn)，對(duì)于電源產(chǎn)品來(lái)講，效率還是重中之重。Lokesh Duraiappah表示，通過(guò)改善產(chǎn)品架構(gòu)降低靜態(tài)電流將是未來(lái)的方向之一。針對(duì)FET技術(shù)和集成式控制器，會(huì)進(jìn)一步投資技術(shù)來(lái)降低RDS，并不斷提升控制器的制造工藝，從而達(dá)到降低占板空間、提升效率的目的。