電源管理IC三大趨勢(shì)的深度解析
發(fā)布日期：2018-3-20 11:54:41 訪問(wèn)次數(shù)：8045
在所有的電子設(shè)備和產(chǎn)品中，都不乏電源管理IC的“身影”。隨著數(shù)字高速IC技術(shù)和芯片制造工藝技術(shù)的共同高速發(fā)展，高性能電源IC“助陣”的作用顯得愈加重要。而日新月異的電子產(chǎn)品應(yīng)用、環(huán)保綠色節(jié)能需求的興起也對(duì)電源IC提出了更高的要求，催生新一代高集成度、高性能和高能效電源管理IC的需求，亦成為電源管理IC廠商永恒的使命。
電源IC需“漲姿勢(shì)”
據(jù)市調(diào)機(jī)構(gòu)iSuppli預(yù)計(jì)，2016年電源管理IC市場(chǎng)預(yù)計(jì)將達(dá)到387億美元，消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)通信、移動(dòng)互聯(lián)領(lǐng)域都是主要的應(yīng)用市場(chǎng)，汽車電子、新能源領(lǐng)域也逐漸發(fā)力。在應(yīng)用驅(qū)動(dòng)和技術(shù)進(jìn)步的作用下，對(duì)電源IC的技術(shù)要求也不斷走高。而且隨著應(yīng)用的不斷創(chuàng)新，電源IC的市場(chǎng)也呈現(xiàn)出需求多樣化，應(yīng)用細(xì)分化，更多高性能電源IC的市場(chǎng)需求也不斷深化以及擴(kuò)展化，更好地為滿足系統(tǒng)創(chuàng)新，性能提升而服務(wù)。
一方面，伴隨著半導(dǎo)體工藝技術(shù)的不斷升級(jí)，PCB板上的芯片和元器件功能更高、運(yùn)行速度更快、體積更小，驅(qū)使電源管理IC提供更低更精準(zhǔn)的核電電壓以及更大的供電電流、更嚴(yán)格的電壓反饋精度、以及更高的效率性能。另一方面，電源管理IC應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)張和深入，實(shí)現(xiàn)更優(yōu)異的控制功能、更智能的控制環(huán)路，更快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，更簡(jiǎn)化的外圍布局設(shè)計(jì)等都“不可或缺”。電源管理IC想要“拿得出手”，都需直面這些難題。
Altera電源業(yè)務(wù)部市場(chǎng)總監(jiān)Mark Davidson表示，為了幫助客戶解決這些挑戰(zhàn)和簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，數(shù)字化、模塊化、智能化電源IC等已是必然之勢(shì)。
他舉例說(shuō)，就拿FPGA客戶來(lái)說(shuō)，電源管理已日益成為一個(gè)戰(zhàn)略性的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，特別是在通信、計(jì)算以及工業(yè)應(yīng)用等領(lǐng)域。隨著FPGA和SoC的不斷發(fā)展，設(shè)計(jì)人員在下一代嵌入式系統(tǒng)中增加了大量混合信號(hào)功能，實(shí)現(xiàn)了以前無(wú)法企及的系統(tǒng)級(jí)性能。如何給功能越來(lái)越多、性能越來(lái)越高、工藝越來(lái)越先進(jìn)的FPGA供電，確實(shí)是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的問(wèn)題。比如采用14nm工藝的FPGA會(huì)具有更高的性能，相應(yīng)地也會(huì)需要更加高性能的電源與之匹配。而且14nm的 FPGA對(duì)電源的要求更加苛刻，對(duì)電源精度的要求更高，如果電壓范圍超過(guò)了規(guī)范的要求，就有可能會(huì)使FPGA失效，甚至可能會(huì)燒壞。
深度解析電源管理IC三大趨勢(shì)
這也意味著，設(shè)計(jì)者必須要在嚴(yán)格的FPGA電源軌要求、系統(tǒng)功耗和散熱預(yù)算限制、構(gòu)建魯棒而又可靠的系統(tǒng)、符合預(yù)算要求按時(shí)完成其項(xiàng)目、完全滿足其電路板和系統(tǒng)對(duì)功能和性能的要求之間找到最佳結(jié)合點(diǎn)，這殊非易事。
數(shù)字電源激發(fā)活力
各大電源管理IC廠商為應(yīng)對(duì)這一市場(chǎng)走勢(shì)，都在抓緊排兵布陣，而數(shù)字電源成為他們不遺余力的“招數(shù)”。憑借靈活、快速響應(yīng)、高集成度以及高度可控的巨大優(yōu)勢(shì)，數(shù)字電源已顯示出強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭。
據(jù)調(diào)研機(jī)構(gòu)IHS公司旗下IMS Research的報(bào)告，預(yù)計(jì)2017年全球數(shù)字電源市場(chǎng)營(yíng)業(yè)收入將增至124億美元，數(shù)字電源IC市場(chǎng)將達(dá)到26億美元。數(shù)字電源市場(chǎng)以服務(wù)器和通信設(shè)備應(yīng)用為主導(dǎo)，同時(shí)拓展至其他更多應(yīng)用領(lǐng)域，或如星火燎原之勢(shì)。
POL轉(zhuǎn)換器一般為低電壓，大電流數(shù)字負(fù)載（如FPGA，微處理器，DSP及其它具有極高動(dòng)態(tài)特性的數(shù)字電路）提供電壓。保持電壓在1V左右的精確調(diào)節(jié)，同時(shí)利用純模擬控制技術(shù)來(lái)滿足近200A/ns的負(fù)載瞬態(tài)要求變得越來(lái)越困難。有些數(shù)字控制器能夠提供在同類模擬IC中難以實(shí)現(xiàn)的功能例如非線性控制。事實(shí)上，幾乎所有的POL數(shù)字控制器都包含了一些不同的旨在改善瞬態(tài)響應(yīng)的控制技術(shù)。這些專用控制算法構(gòu)成了傳統(tǒng)模擬電源公司進(jìn)入數(shù)字電源開(kāi)發(fā)的門檻。電源如果在內(nèi)部采用數(shù)字內(nèi)核實(shí)現(xiàn)控制環(huán)路，可以滿足極為嚴(yán)苛的瞬態(tài)要求，實(shí)現(xiàn)極低的紋波電壓，以及在輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)極高的精確穩(wěn)壓。同時(shí)可以支持 PMbus通信接口，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程精確的電流，電壓和溫度監(jiān)控。
數(shù)字電源為電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域注入了新的活力，同時(shí)也對(duì)電源管理IC廠商提出了更高的要求。據(jù)了解，一方面，電源管理IC廠商不僅要提供一系列的整合設(shè)計(jì)方案，而非單一元件，提供高中低端全系列產(chǎn)品；其次，他們也需要全套數(shù)字電源開(kāi)發(fā)工具，包括硬件和圖形介面（GUI）；最后，獲得相關(guān)周邊元件如Power Train，才能創(chuàng)建完整解決方案。另一方面，數(shù)字電源IC廠商如果再“單打獨(dú)斗”的話，顯然已“力有不逮”。Altera的Enpirion電源產(chǎn)品中國(guó)區(qū)高級(jí)業(yè)務(wù)經(jīng)理張偉超提到，主芯片廠家諸如FPGA/ASSP/ASIC的技術(shù)日新月異，在性能不斷提升的同時(shí)對(duì)電源的要求也異常的嚴(yán)苛，而電源管理 IC廠商不能再和以往一樣孤軍作戰(zhàn)，而是必須要和數(shù)字組芯片廠家協(xié)同作戰(zhàn)。電源IC廠商需要和主芯片廠商進(jìn)行有效地技術(shù)溝通，因?yàn)橹挥辛私?span id="bbvr7fz" class="hrefStyle" style="padding:0px;margin:0px;">系統(tǒng)芯片的需求，電源IC的目標(biāo)設(shè)計(jì)規(guī)格才顯得更有意義，這種為系統(tǒng)性能需求而定制的電源設(shè)計(jì)最終能為系統(tǒng)的功耗優(yōu)化做出巨大的貢獻(xiàn)。這種協(xié)作可助力電源管理IC廠商的產(chǎn)品更具競(jìng)爭(zhēng)力，獲得更多的市場(chǎng)份額。
從近些年的市場(chǎng)并購(gòu)來(lái)看，無(wú)疑都佐證了這一趨勢(shì)。高通收購(gòu)了Summit， Mediatek收購(gòu)Richtek， Microchip收購(gòu)Micrel，Altera收購(gòu)了Enpirion以及最近收購(gòu)了德國(guó)創(chuàng)新型芯片公司ZMDI的數(shù)字電源控制器部門，道理其實(shí)一脈相承，業(yè)界都認(rèn)可并執(zhí)行類似的策略。而收購(gòu)一家電源企業(yè)的好處或遠(yuǎn)比與電源企業(yè)合作來(lái)得“直接”。Mark Davidson對(duì)此表示，一般大型電源管理IC廠商的電源器件會(huì)有很多不同的應(yīng)用領(lǐng)域，他們不會(huì)也不可能把全部的精力投入到FPGA領(lǐng)域，而 Altera通過(guò)收購(gòu)則會(huì)更加關(guān)注電源器件在FPGA方面的應(yīng)用。他強(qiáng)調(diào)，收購(gòu)Enpirion我們成為一個(gè)公司后，可以集合電源、FPGA系統(tǒng)工程以及電路板布局的專家，共同開(kāi)發(fā)出一個(gè)更好的解決方案。
模塊化走勢(shì)彰顯
受SoC化設(shè)計(jì)趨勢(shì)的影響，近年來(lái)電源管理IC技術(shù)表現(xiàn)出越來(lái)越強(qiáng)的模塊化趨勢(shì)。一方面，設(shè)備正變得越來(lái)越復(fù)雜，更多功能特性、更快更復(fù)雜處理器需要更先進(jìn)的電源管理解決方案，電源管理技術(shù)要在更小的硅芯片上集成更多功能同時(shí)以更高的設(shè)計(jì)靈活性實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的系統(tǒng)用電性能，這正在改變傳統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)方法。另一方面，模塊化的電源管理IC可有效降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，節(jié)約電路板空間，提高系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性，同時(shí)也能有效降低系統(tǒng)成本，帶來(lái)的好處是顯而易見(jiàn)的。
因而，市場(chǎng)上的模塊化電源管理IC開(kāi)始不斷浮出水面。Altera日前就在其Enpirion電源解決方案中新增了一款30amp PowerSoC DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器EM1130。這款被Altera視作“里程碑”式的產(chǎn)品，是集成數(shù)字DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器系列的第一款產(chǎn)品，可為Altera的第 10代FPGA提供電源管理功能。EM1130的“功力深厚”，引腳布局密度達(dá)業(yè)界最高，面積不到其他解決方案的一半，不僅可提供嚴(yán)格的高輸出穩(wěn)壓和快速瞬時(shí)響應(yīng)功能，并能夠遠(yuǎn)程測(cè)量電流、電壓和溫度等關(guān)鍵參數(shù)。
張偉超介紹說(shuō)，集成的Enpirion電源單芯片系統(tǒng)最大的優(yōu)勢(shì)在于極大程度的提高了系統(tǒng)的可靠性和易用性，而模塊電源體積小、低EMI以及通過(guò)數(shù)字控制環(huán)路實(shí)現(xiàn)更快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)和更低的噪聲，從而能夠更加智能化地適應(yīng)平臺(tái)廠商對(duì)于降低系統(tǒng)功耗的最新需求同時(shí)提升性能的嚴(yán)苛挑戰(zhàn)，將經(jīng)驗(yàn)證的Enpirion電源SoC解決方案與Altera的FPGA結(jié)合使用，客戶能夠在盡可能最小的電路板上完成他們的設(shè)計(jì)，同時(shí)還能最大程度地提高性能和降低功耗，加快產(chǎn)品上市、削減材料成本以及增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性。
此外，電源管理IC的模塊化趨勢(shì)還體現(xiàn)在與板上其他芯片的 “集成化”上，市場(chǎng)上電源管理IC與主控芯片之間通信及監(jiān)控等功能的集成化也在日益增多。張偉超提到，未來(lái)，Altera將會(huì)利用Enpirion公司在電源方面的技術(shù)，將某些電源模塊集成進(jìn)FPGA內(nèi)部，使得系統(tǒng)電路板電路更加簡(jiǎn)潔，功耗和成本都得到優(yōu)化處理，并更加簡(jiǎn)化FPGA系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。
智能化提升智能性
而電源管理IC的智能化亦是大勢(shì)使然，或才能主動(dòng)“配合”平臺(tái)主芯片的功能不斷升級(jí)的需求。張偉超介紹說(shuō)，隨著系統(tǒng)功能越來(lái)越復(fù)雜，對(duì)能耗的要求越來(lái)越高，客戶對(duì)電源運(yùn)行狀態(tài)的感知與控制的要求越來(lái)越高，電源設(shè)計(jì)人員不再滿足于實(shí)時(shí)監(jiān)控電流、電壓、溫度，還提出了診斷電源供應(yīng)情況、靈活設(shè)定每個(gè)輸出電壓參數(shù)的要求。此外，電源管理IC必須和電路板上所需要供電的設(shè)備進(jìn)行有效地連接，因系統(tǒng)要求電源子系統(tǒng)和主系統(tǒng)之間更加實(shí)時(shí)的合作與配合，甚至要支持通過(guò)云端進(jìn)行的監(jiān)控去管理，智能化的管理和調(diào)控已成必須。
如何去實(shí)現(xiàn)智能化？張偉超表示，這需要在兩個(gè)方面下工夫，一是電源管理IC要實(shí)現(xiàn)與內(nèi)核通信，各部分之間可相互溝通交流，及時(shí)動(dòng)態(tài)的控制加上無(wú)縫的溝通可成就一個(gè)智能化的電源管理系統(tǒng)，能夠?qū)崟r(shí)地對(duì)系統(tǒng)變化的供電需求進(jìn)行檢測(cè)分析和響應(yīng)，從而大大提高系統(tǒng)的效率。二是內(nèi)部參數(shù)可實(shí)現(xiàn)在線調(diào)整，這就意味著電源的動(dòng)態(tài)特性是可變的，能順應(yīng)負(fù)載在相當(dāng)大的范圍內(nèi)變化同時(shí)還能保證一定的性能，數(shù)字電源在這方面發(fā)揮重要作用，同時(shí)還需要不斷在控制算法、自適應(yīng)方面實(shí)現(xiàn)突破。
Altera通過(guò)不斷創(chuàng)新，在這方面實(shí)現(xiàn)了新的進(jìn)展。不久前，Altera在亞太地區(qū)的14個(gè)城市舉辦2015年Altera技術(shù)日活動(dòng)，展示了最新的 FPGA、SoC及Enpirion電源解決方案。其中，Arria 10和Enpirion的數(shù)字PowerSoC相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了智能化的FPGA電源系統(tǒng)和最低的功耗。其具體特性包括以下幾個(gè)方面：
1. FPGA設(shè)計(jì)的所有電源供電要求會(huì)導(dǎo)致建立FPGA電源樹(shù)，不同資源要求有不同的上電順序，這對(duì)電源轉(zhuǎn)換器提出了更高要求。Enpirion器件具有 “Power OK”或者“Power Good”引腳，支持對(duì)FPGA中不同資源的電源軌的分組排序，向系統(tǒng)控制器或者排序器件發(fā)出信號(hào)，某一FPGA輸入已經(jīng)接通電源，可以開(kāi)始下一排序步驟；
2. 另一常見(jiàn)的系統(tǒng)電源要求是能夠進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)視，對(duì)電源各參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視、故障報(bào)警和相應(yīng)調(diào)節(jié)。而最簡(jiǎn)單、最便宜、最緊湊的方式是使用集成了遠(yuǎn)程監(jiān)視功能和相應(yīng)的通信總線的電源調(diào)節(jié)器。通過(guò)智能電壓ID（SmartVID）特性，Altera的Arria 10 FPGA和SoC通過(guò)PMBus接口，確定與Enpirion電壓調(diào)節(jié)器系統(tǒng)之間所需的VCC電壓和通信，將內(nèi)核電壓軌盡可能動(dòng)態(tài)調(diào)整到最小，而不會(huì)犧牲系統(tǒng)性能。同時(shí)，支持PMBus的Enpirion的ED8101P0xQI單相數(shù)字控制器，與ET4040QI大電流電源配對(duì)使用，可實(shí)現(xiàn)對(duì)FPGA的多種遠(yuǎn)程監(jiān)視和低功耗特性。
FPGA電源供電設(shè)計(jì)有一些常見(jiàn)的要求。理解FPGA設(shè)計(jì)和應(yīng)用怎樣影響功耗和電源供電要求會(huì)讓設(shè)計(jì)更清晰，更容易成功。Altera的Enpirion電源解決方案設(shè)計(jì)滿足了這些苛刻的FPGA電源要求。未來(lái)的電子系統(tǒng)功能將日益復(fù)雜、多樣和智能化，對(duì)電源管理系統(tǒng)的要求也越來(lái)越高。深入地理解各個(gè)系統(tǒng)的特性和供電需求，并順應(yīng)數(shù)字化、模塊化和智能化的發(fā)展趨勢(shì)，才能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供度身定制的“完美”供電保障。
