2008年和2009年的電源管理市場(chǎng)仍然值得期待,特別是面向便攜產(chǎn)品應(yīng)用的節(jié)能與電源管理??偟膩?lái)說(shuō),2008年最大的增長(zhǎng)機(jī)會(huì)仍然是來(lái)自蜂窩電話—預(yù)計(jì)年底前全球?qū)⒔桓冻^(guò)13億部蜂窩電話。此外還有PMP、筆記本PC、DSC、PND和MP3播放器,從而使得便攜式電子產(chǎn)品的整體規(guī)模接近20億部。很顯然,電源管理IC供應(yīng)商在這一市場(chǎng)有很多機(jī)會(huì)。
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Wes Reid:與傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器相比,同步降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器具有更佳的轉(zhuǎn)換效率。E0Aesmc |
“便攜和無(wú)線應(yīng)用中節(jié)能和電源管理IC及分立器件的市場(chǎng)總值到2009年將會(huì)在40億至55億美元之間,其中涉及了包括音/視頻、顯示和背光、無(wú)連和保護(hù)、電源管理等多個(gè)功能單元。”安森美半導(dǎo)體數(shù)字及消費(fèi)產(chǎn)品部策略市場(chǎng)營(yíng)銷及系統(tǒng)工程總監(jiān)Wes Reid表示,“由于上述功能所服務(wù)的市場(chǎng)中便攜和無(wú)線應(yīng)用占據(jù)了很大比例,因此后者已經(jīng)成為節(jié)能與電源管理市場(chǎng)的重要構(gòu)成?!?
來(lái)自電源管理市場(chǎng)的另外一家重要廠商—美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體亞太區(qū)電源產(chǎn)品的市場(chǎng)總監(jiān)黃漢基也認(rèn)為,個(gè)人便攜式電子消費(fèi)品已經(jīng)成為驅(qū)動(dòng)電源管理IC市場(chǎng)增長(zhǎng)的重要引擎之一。“舉例來(lái)說(shuō),附有全球定位系統(tǒng)/地區(qū)性服務(wù)(LBS)功能的手機(jī)已經(jīng)推進(jìn)智能手機(jī)市場(chǎng)的快速增長(zhǎng)。此外,根據(jù)TSR公司的調(diào)查,手機(jī)電視市場(chǎng)將由2006年的470萬(wàn)臺(tái)增長(zhǎng)到2010年的736萬(wàn)臺(tái),增長(zhǎng)率達(dá)到15倍以上。而這些應(yīng)用正是對(duì)更加高效節(jié)能和電源管理方案的消費(fèi)大戶?!?
開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器挑大梁,節(jié)能續(xù)航兩手抓
日益小巧的便攜式電子產(chǎn)品正在受到消費(fèi)者的追捧,然而要做到瘦身卻并非那么簡(jiǎn)單。便攜式電子產(chǎn)品的新功能帶來(lái)了電路板上的元器件數(shù)的增多,而用來(lái)放置元器件的電路板卻在不斷縮小—電源管理器件供應(yīng)商所面臨的挑戰(zhàn)正在于此,OEM希望能在改善運(yùn)行時(shí)間的前提下盡可能地壓縮這些器件所占據(jù)的空間。
為了應(yīng)對(duì)上述問(wèn)題,目前普遍的解決方案是采用一個(gè)小巧的同步降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器方案來(lái)取代線性穩(wěn)壓器。如凌力爾特公司電源產(chǎn)品市場(chǎng)總監(jiān)Tony Armstrong所言:“與傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓器相比,同步降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器具有更佳的轉(zhuǎn)換效率,從而為在電池工作時(shí)間上的改進(jìn)提供了更大的空間。除此之外,這些穩(wěn)壓器可以提供達(dá)95%的效率,并且?guī)缀跸藢?duì)任何散熱措施的需求?!?
然而今天的便攜式電子設(shè)備已日漸復(fù)雜,幾乎每一個(gè)類型的產(chǎn)品都需要數(shù)個(gè)不同的電壓軌:包括多個(gè)MCU軌和大量特殊功能電壓軌?!坝捎谶@些電壓軌通常由一個(gè)鋰離子電池來(lái)供電,因此對(duì)電池提供必需功率的要求大大提高了。”Armstrong表示,“加之電池的外形尺寸仍然保持相對(duì)較小,而且功率密度只有適度的提高,這導(dǎo)致不僅是蜂窩電話,幾乎在任何便攜式手持設(shè)備中電池工作時(shí)間和良好的熱量管理都已經(jīng)成為巨大的賣點(diǎn)。從而催生了對(duì)更加緊湊和高效的多輸出同步降壓型穩(wěn)壓器的需求。”據(jù)稱,為順應(yīng)這種需求,凌力爾特已經(jīng)推出了以LTC3544、LTC3545為代表的此類產(chǎn)品。
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黃漢基:個(gè)人便攜式電子消費(fèi)品已經(jīng)成為驅(qū)動(dòng)電源管理IC市場(chǎng)增長(zhǎng)的重要引擎之一。E0Aesmc |
雖然優(yōu)勢(shì)不少,但同步降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器也并不是特別完美。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體的黃漢基就指出:“即使最小的降壓DC-DC穩(wěn)壓器其體積也是線性穩(wěn)壓器的三倍,加之DC-DC轉(zhuǎn)換器還集成了電感以及體積較大的輸入/輸出電容,從而令成本更加昂貴。”他表示,在這種情況下人們更傾向于采用一種稱為后置式穩(wěn)壓的解決方案?!捌湓硎鞘褂靡粋€(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器來(lái)生成一個(gè)電源軌。該電軌可以用來(lái)作為低電壓輸入線性穩(wěn)壓器的輸入。這樣就相當(dāng)于兩個(gè)電感開(kāi)關(guān)?!睋?jù)稱,與線性穩(wěn)壓方案相比,后置式穩(wěn)壓不僅可節(jié)省約40%的電路板空間,還能夠減少外部元器件的用量,并帶來(lái)進(jìn)一步的成本降低。
不過(guò)對(duì)于便攜式電子終端而言,提高穩(wěn)壓器的效率僅僅是一個(gè)方面,如何盡可能的利用電池內(nèi)部的電量—最好能夠延長(zhǎng)電池的關(guān)閉時(shí)間,也相當(dāng)重要。新型的降壓-升壓穩(wěn)壓器無(wú)疑是解決這一需求的行家能手?!耙允謾C(jī)為例,一般手機(jī)PA要求的輸出電壓必須高至3.4V。由于大部分的手機(jī)PA都是鋰電供電,如果沒(méi)有使用降壓-升壓穩(wěn)壓器,就必須在電壓為3.5V時(shí)關(guān)閉手機(jī)?!秉S漢基表示,“而采用了這種器件后,只需在電池電壓為3.0V時(shí)關(guān)閉手機(jī),中間的運(yùn)行時(shí)間差距有10~20%之多。此外,降壓-升壓穩(wěn)壓器還可以置于圖像處理等數(shù)字子系統(tǒng)的電源管理IC之前作為預(yù)(前置)穩(wěn)壓,為后者提供一個(gè)穩(wěn)定的輸入,從而避免這些子系統(tǒng)因?yàn)榉逯颠^(guò)高而提前關(guān)閉電池的情況發(fā)生?!?
動(dòng)/靜態(tài)并舉,多技術(shù)節(jié)能
隨著對(duì)于終端電池續(xù)航能力的日益關(guān)注,有關(guān)動(dòng)態(tài)與靜態(tài)電源管理的討論也日益普遍。如今,越來(lái)越多的先進(jìn)節(jié)能技術(shù)正在走入便攜式終端,幫助解決靜態(tài)和動(dòng)態(tài)能耗問(wèn)題。安森美的Reid介紹了目前能夠采用的一些主要技術(shù)。
“為了降低靜態(tài)功耗,目前主要采用的是動(dòng)態(tài)過(guò)程溫度補(bǔ)償、電源門控(Power Gating)以及假寐(Doze)、睡眠(Sleep)、休眠(Hibernate)和停止(Stop)等節(jié)點(diǎn)模式。”Reid介紹說(shuō),“其中,前者的原理是讓電路在確保達(dá)到所需性能的前提下采用最低電壓工作,而電源門控則采用精確控制(Coarse grain)或粗略控制(Fine Grain)來(lái)關(guān)閉單個(gè)門或大群組門中的電流,以此支持特定功能?!?
在降低動(dòng)態(tài)功耗方面,先進(jìn)的時(shí)鐘分配技術(shù)、動(dòng)態(tài)電壓與頻率調(diào)節(jié)(DVFS)、自適應(yīng)電壓和頻率調(diào)節(jié)等技術(shù)也正在挑起重任。
“時(shí)鐘門控、全局異步、局部同步(GALS)等將獨(dú)立功能模塊的同步時(shí)鐘結(jié)構(gòu)互相隔離開(kāi)來(lái),并采用異步握手(Hand-shaking)結(jié)構(gòu)來(lái)管理各個(gè)獨(dú)立功能模塊之間接口的各種時(shí)鐘分配技術(shù)能夠降低傳統(tǒng)“時(shí)鐘樹(shù)”的復(fù)雜程度以及相關(guān)功耗。”Reid表示,“而DVFS從根本上講則是根據(jù)查找表(LUT)來(lái)動(dòng)態(tài)的調(diào)節(jié)頻率和電源電壓以達(dá)到降低功耗的目的。至于自適應(yīng)電壓和頻率調(diào)節(jié),與DVFS技術(shù)類似,關(guān)鍵區(qū)別在于DVFS的LUT的設(shè)定需要適應(yīng)不同晶圓的性能變異,因此事實(shí)上電路的功率消耗和時(shí)鐘頻率要高于維持它們性能所需要的水平。而自適應(yīng)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)反饋,逐漸減小這些參數(shù),直至它們達(dá)到可以維持其性能(功率消耗和時(shí)鐘頻率)的絕對(duì)最低水平?!?
凌力爾特推出的LTC3562就是一個(gè)采用電源動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)的例子?!癠MPC中包含了多個(gè)必須在開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)時(shí)恰當(dāng)加電的低壓軌。包括CPU內(nèi)核電壓、I/O和一些存儲(chǔ)器電壓。此外,CPU內(nèi)核電壓也需要根據(jù)所需處理能力的變化而變化,這就要求能夠動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)電壓以實(shí)現(xiàn)功耗優(yōu)化?!盇rmstrong表示,“4通道的LTC3562每個(gè)通道都可以通過(guò)片上I2C接口獨(dú)立控制(包括輸出電壓),從而非常適合于這類應(yīng)用?!?
PMU vs. 單一功能IC,主流與補(bǔ)充
就目前來(lái)說(shuō),大多數(shù)由電池供電的手持式便攜產(chǎn)品都使用一個(gè)專用的電源管理單元(PMU)來(lái)處理電池充電、電源通路控制、提供多個(gè)電源電壓等需求以及諸如真正輸出斷接和準(zhǔn)確USB電流限制等保護(hù)功能。而且在大多數(shù)時(shí)候,特別是針對(duì)手機(jī)一類的應(yīng)用,其PMU往往都是在基帶供應(yīng)商與OEM的共同參與和配合下進(jìn)行設(shè)計(jì)的—不難看出,PMU的優(yōu)勢(shì)正在于它的“剛好夠用”的原則,這對(duì)降低成本非常有利,加之集成度的提高本身也能減少支出,這令其在便攜式領(lǐng)域大行其道。
PMU的優(yōu)勢(shì)在于標(biāo)準(zhǔn)化和集成,不過(guò)某些情況下這種優(yōu)勢(shì)反倒成了它的軟肋。Armstrong就指出:“首先,PMU采用特定的半導(dǎo)體工藝制造,要最大限度地提高其中每一種的性能都不容易。其次,定義和開(kāi)發(fā)這樣的一款A(yù)SIC可能需要兩年或更長(zhǎng)的時(shí)間,在對(duì)設(shè)計(jì)周期和上市時(shí)間要求越來(lái)越高的今天,等到芯片完成,也許設(shè)計(jì)需求已經(jīng)改變?nèi)我陨狭恕!倍鳵eid也表示,由于經(jīng)常會(huì)有這樣那樣的系統(tǒng)要求無(wú)法在先進(jìn)CMOS工藝的PMU中得到滿足,或者在手機(jī)設(shè)計(jì)的后期忽然需要進(jìn)行性能變更,PMU可能就不夠用了。“這為并不設(shè)計(jì)PMU的其他IC供應(yīng)商提供了機(jī)會(huì)?!彼f(shuō)。
Reid所指的其他IC就是那些更新的僅能實(shí)現(xiàn)單一功能的IC。不過(guò)正如他所言,除了能夠提供設(shè)計(jì)所需的靈活性之外,此類IC的性能通常也要比集成的PMU中所對(duì)應(yīng)的功能好得多。“因?yàn)樗鼈優(yōu)槟硞€(gè)功能進(jìn)行了專門的優(yōu)化,并采用了更加成熟的工藝?!贝送?,如果在架構(gòu)設(shè)計(jì)初期就做出正確的決策,采用這些特定的器件還能夠影響PMU的開(kāi)發(fā),比如采用更加簡(jiǎn)單或更具價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)力的工藝,以及在制造時(shí)采用更少的掩膜層來(lái)降低成本。最后,這些器件往往采用更加成熟的工藝來(lái)開(kāi)發(fā),它們往往具有更低的漏電流,而這則意味著更低的靜態(tài)功耗。
顯示屏節(jié)能成熱點(diǎn),ESD保護(hù)有的放矢
為了盡可能地實(shí)現(xiàn)更低的電能消耗,各家半導(dǎo)體公司都在使出渾身解數(shù),不遺余力地推進(jìn)新技術(shù)與新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。而隨著顯示屏尺寸越來(lái)越大以及更多人機(jī)交互功能的出現(xiàn),顯示屏節(jié)能受到了越來(lái)越多的重視。無(wú)論是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體,還是凌力爾特,都著重介紹了其在這方面的新方案。此外,面向敏感性便攜產(chǎn)品市場(chǎng),安森美也有的放矢地推出了相應(yīng)的ESD保護(hù)器件。
國(guó)家半導(dǎo)體新推的PowerWise的移動(dòng)像素鏈路(MPL)就是這家公司在節(jié)能方面的新突破。黃漢基稱,該技術(shù)采用低功率的接口電路不僅能夠?qū)⒋罅繑?shù)據(jù)流傳送到顯示器,還可大幅延長(zhǎng)電池壽命。黃漢基就介紹了型號(hào)為FPD95120的一款器件,據(jù)悉該器件內(nèi)置MPL解串器、高效電感DC-DC開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器以及RAM,可通過(guò)減少顯示器的待機(jī)功耗來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能和延長(zhǎng)電池壽命。
國(guó)家半導(dǎo)體目前還在推廣一種全新的RGB LED背光驅(qū)動(dòng)方案—LP5520。與傳統(tǒng)的白光LED相比,RGB LED做為背光源能顯著的提升LCD的顯示顏色飽和度, 改善顯示效果。LP5520驅(qū)動(dòng)芯片很好地解決了RGB LED背光設(shè)計(jì)中的白平衡問(wèn)題和溫度補(bǔ)償問(wèn)題,客戶可以非常容易地實(shí)現(xiàn)RGB LED背光的設(shè)計(jì)?!?
來(lái)自凌力爾特的Armstrong也強(qiáng)調(diào)指出,隨著便攜產(chǎn)品的屏幕越來(lái)越大,系統(tǒng)制造商要特別注意TFT-LCD、OLED顯示屏的供電需要?!熬蚑FT-LCD顯示屏的供電而言,一個(gè)DC-DC轉(zhuǎn)換器需要能夠以正確的加電和斷電排序提供3個(gè)獨(dú)立的輸出電壓:AVDD、VON和VOFF?!彼硎?,凌力爾特已經(jīng)充分認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn),并專門開(kāi)發(fā)了專用的單片DC-DC轉(zhuǎn)換器。
“LT3513是我們?cè)谶@方面推出的最新產(chǎn)品,它擁有5個(gè)獨(dú)立控制的穩(wěn)壓器,可以為TFT-LCD顯示屏提供所需要的所有電源軌?!彼f(shuō)。
安森美正在加強(qiáng)其面向功率敏感型的便攜產(chǎn)品市場(chǎng)ESD保護(hù)方面的市場(chǎng)地位。Reid重點(diǎn)介紹了該公司最近推出的三款新品,型號(hào)分別為NUP4016、ESD11L5.0D以及NCP5890。
據(jù)介紹,采用1.0×1.0×0.4mm SOT-953封裝的NUP4016是目前業(yè)界最小的ESD保護(hù)陣列,可保護(hù)4條高速數(shù)據(jù)線路,支持USB2.0和HDMI等全帶寬高速接口,此外,其每條I/O線路的電容也只有0.5皮法(pF)。而號(hào)稱“市場(chǎng)上最薄的高速通信、USB 2.0數(shù)據(jù)和電源線路和保護(hù)用ESD器件”ESD11L5.0D則采用超小型1.0×0.6×0.37mm SOT-1123封裝,同樣以0.5pF的超低電容保護(hù)兩條高速數(shù)據(jù)線路。此外,ESD11L5.0D也能夠連接陰極至陰極,以0.25pF電容保護(hù)單條雙向線路,這令它非常適合于保護(hù)高頻射頻(RF)天線線路。至于NCP5890則主要是面向LCD背光和裝飾光應(yīng)用,可串聯(lián)驅(qū)動(dòng)達(dá)8個(gè)發(fā)光二極管(LED),能夠通過(guò)I2C接口來(lái)進(jìn)行環(huán)境光感測(cè)和漸進(jìn)調(diào)光。
責(zé)編:Quentin