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。