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功能不断增加的3G手机中磁性元件面临更严峻挑战

2009-04-08 15:23:29 来源:《国际电子变压器》2009年4月刊

     随着中国移动、中国联通、中国电信三家运营商3G的陆续放号试营运,3G手机商机迅速引爆,根据赛迪顾问的预计,2009年国内3G手机销量将达到2300万部,到2011年超过1.1亿部。3G手机不仅可以浏览网页、发送电子邮件、拍摄数码相片,甚至能播放视频流。但以此同时,手机制造商也面临着越来越大的压力,因为他们必须把这些功能集成进不断缩小的体积内,同时要让手机维持较长的工作时间。因此,不断增多的功能也使得3G手机中应用的磁性元器件,在性能、功耗、尺寸等方面面临更加严峻的挑战。

3G手机商机引爆  厂商积极布局市场
     2009年1月,工业和信息化部正式向中国移动、中国联通、中国电信三家运营商发放3G运营牌照。三家运营商原定今年5月17日正式开通3G服务,但中国移动的TD-SCDMA已在2008年试营运,中国电信3月16日已开始部分试点CDMA EVDO服务,中国联通也决定于4月15日先在河北省石家庄、保定、唐山和秦皇岛4个城市放出3G手机门号,3G手机商机因此提前引爆。 
     作为3G终端之一的3G手机,毫无悬念地成为吸引2009年消费者换机的最大动力。一边是庞大的等待换机的消费者,而另一边则是早已开始布局市场的手机厂商们。正如市场调研机构IDC分析师姬威所言,“2009年,手机市场最大的变化就是,3G手机将开始较大范围销售,并且受到更多消费者的关注。”显然,能否开发出满足消费者需求的3G手机将是打开手机市场的一把金钥匙。由于在大陆销售手机必须先取得入网证,一些品牌虽可能暂时错失商机,却仍看好今年行情并积极抢进3G供应链。其中也包括了众多台湾地区手机制造业者,台湾宏达国际电子股份有限公司估计,今年公司在大陆销售的手机数量将从去年的80万部倍增到160万部。台湾联发科技股份有限公司虽然要到下半年才能推出用于3G手机的WCDMA晶片,但不会缺席中国移动主推出的TD-SCDMA标准,该公司已和两岸逾20家手机厂家合作TD手机。上海证券行业分析师张涛表示,今年大陆三大电信业者的采购规模将达人民币1658亿元,比去年增长两倍,而且主要的3G投资将集中在今年,将来的年增长率约为25%。

2009-2011年中国手机市场销售情况          
数据来源:赛迪顾问 

磁性元器件走向更低的功耗、更小的尺寸、更高的性能
     3G手机功能的扩展,加快了基础电子元器件的集成、整合步伐,促使元器件向微型化、高频化、模块化发展。对于给手机配套的磁性元器件厂商而言,如何以更小的尺寸、更低的功耗、更高的性能来适应3G手机的技术要求,是一个新的挑战。为了适应这一挑战,磁性元器件制造商都必须花大力气在材料与工艺制作上发展和改善,用具有相等或更好的性能的但也更加精细的设计来迎合市场的需要。

提高开关频率与改善电池充电
     今天的3G多功能手机支持好几个空中接口,并能提供诸如GSM及WCDMA等多波段modem连接。亦可通过蓝牙、无线LAN、红外及USB接口来进行其它连接。数码相机已成为许多手机的标准配置,它需要有成熟的相机引擎及高发光度闪光灯来拍摄高质量照片。以更高的数据传输速度,还可实现视频电话功能。此外,高速应用处理器还能提供音/视频处理能力来执行数字电视(DTV)信号与MPEG音频编解码。更新款的手机还计划增加调频收音机和数字电视调谐器来提高手机的娱乐价值。更高的数据吞吐量最终要求有高密度的存储能力,这可通过存储器扩展槽或(甚至)微型硬盘驱动器来实现。不难想象,这些无线手机还兼具有手持式游戏设备的功能。而所有的功能实现,集中在电池的供电运行,如何在不增加结构尺寸的情况下,手机如何降低功耗,并实现更多的功能和应用,磁性元器件也可以在其中扮演重要的角色。在满负荷运行时,手机内部系统的负载所需的峰值功率通常将超过4W。这么高的功率会很快耗尽电池的能量。影响电池运行时间的另一重要因素是电源效率和系统电源管理。另外,低电源转换效率将导致发热。因此必须提高DC/DC转换器的开关频率。  
     另外一方面就是改善电池充电,事实上,所有3G手机都采用锂离子电池作为主电源。由于散热及空间的限制,设计师必须仔细考虑选用何种类型的电池充电器,以及还需要哪些特性来确保对电池进行安全及精确的充电。线性锂离子电池充电器的一个明显趋势是封装尺寸继续减小。但值得关注的是在充电周期(尤其在高电流阶段)冷却IC所需的板空间或通风条件。充电器的功耗会使IC的接合部温度上升。加上环境温度,它会达到足够高的水平,使IC过热并降低电路可靠性。此外,如果过热,许多充电器会停止充电周期,只有当接合部温度下降后才恢复工作。如果这种高温持续存在,那么 充电器“停止和开始”的反复循环也将继续发生,从而延长充电时间。为减少这些风险,用户只能选择减小充电电流来延长充电时间或增大板面积来散热。因此,由于增加了PCB散热面积及热保护材料,整个系统成本也将上升。凌力尔特公司表示,对此问题有两种解决方案。首先,需要一种智能的线性锂离子电池充电器,它不必为担心散热而牺牲PCB面积,并采用一种小型的热增强封装,允许它监视自己的接合部温度以防止过热。如果达到预设的温度阈值,充电器能自动减少充电电流以限制功耗,从而使芯片温度保持在安全水平。第二种解决方案是使用一种即使充电电流很高时也几乎不发热的充电器。这要求使用脉冲充电器,它是一种完全不同于线性充电器的技术。脉冲充电器依靠经过良好调节且电流受限的墙上适配器来充电。

改进材料与制造工艺实现更小尺寸
     功能的增加,而手机的尺寸依然朝轻薄短小的方向发展,如何将日益复杂的电路整合到更加狭小的电路板空间中的巨大的市场压力导致了性能更佳的、极具竞争力的、更为精巧的终端元件的需求增大。据估算,3G手机上仅片式电感的用量就将会增加一倍达到60只以上。磁性元器件对于电子整机,是被动的、适应性的,但对于其上游产业,如电子材料,又是主动的,它先适应电子整机技术的要求,后争取引导电子行业的发展。它的发展促使厂商积极挖掘电子材料的功能、工艺技术的极限。因此,为迎接挑战,磁性元器件厂商必须在技术、工艺、材料领域进行革新。Taiyo Yuden公司就认为,未来要提供更精细电感器的关键在于部件制造商是否有能力通过在电路设计、材料和制造等方面的不断进步来降低电感和提高开关频率。例如手机用电感器技术的进步已经在包装厚度上显现了出来,例如,从两三年前2mm到现在的1mm。该技术的显著改善让靠超薄元件支持器件的微型化趋势持续吸引着全球电子产品消费市场。即便如此,单纯靠使用较小的电感器也不是一个完善的解决方案。

走向被集成模块化 
     近期有技术报道称,目前手机设计中开始采用集成无源元件(IPD)。采用IPD可提高PCB板(印制电路板)组装密度,也可减少在PCB上放置离散器件所需的额外费用,从而获得较低的生产成本。IPD在一块集成芯片中提供多个无源元件的功能。只有当包含了10个或更多无源元件的IPD流行时,IPD的成本才会与购买和放置同等数量的离散元件的成本相当。 将电容、电感、电阻或一些有源元件复合在一起,采用低温共烧陶瓷技术(LTCC)、多层复合技术形成新型的模块式的电子元器件,是一个新的课题。LTCC以其优异的电学、机械、热学及工艺特性,将成为未来电子元器件集成化、模块化的重要发展方向,在国外及我国台湾地区发展迅猛,已初步形成产业雏形。利用LTCC制造片式无源集成器件和模块具有许多优点,第一,陶瓷材料具有优良的高频高Q特性;第二,使用电导率高的金属材料作为导体材料,有利于提高电路系统的品质因子;第三,可适应大电流及耐高温特性要求,并具备比普通PCB电路基板优良的热传导性;第四,可将无源组件埋入多层电路基板中,有利于提高电路的组装密度;第五,具有较好的温度特性,如较小的热膨胀系数、较小的介电常数温度系数,可以制作层数极高的电路基板,可以制作线宽小于50μm的细线结构。另外,非连续式的生产工艺允许对生坯基板进行检查,从而提高成品率,降低生产成本。 
     3G手机的功能等的改变,对于磁性元器件的基本性能要求不会有大的变动,总的来说当前磁性元器件能够满足3G手机功能的要求。

3G手机市场渐进发展
磁性元器件厂商仍需多方努力
     3G手机市场的发展仍是一个渐进的过程,手机厂商应不断加大与运营商的合作力度以获得更多的市场机会。随着3G市场的发展,消费者所享受到的服务及产品也将更为丰富实用。 
     从目前市场发展情况而言,3G手机市场的发展将呈渐进发展态势。首先,3G网络建设不可能一蹴而就。预计到2009年底各个运营商3G网络建设能够覆盖200多个地市级城市,再逐步覆盖周边区域,且网络布局仍需不断优化。虽然现阶段3G手机都采用2G/3G双模共存互补的模式,但网络覆盖不足会直接影响消费者对3G业务的使用。而3G手机市场的发展相对网络建设具有一定的延时。其次,对于3G业务的运营主体,三大运营商在迎来3G巨大市场机遇的同时也面临一些挑战。中国移动需要大力拉动相对薄弱的TD产业链迅速发展,提升终端成熟度;中国联通运营较为成熟的是WCDMA,但在重组资源整合,加强运营竞争力,布局3G及2G网络扩容升级方面仍有较多工作要做;中国电信CDMA2000网络升级最快,固网优势明显,对企业、家庭用户的品牌影响力较强,但移动运营经验仍需积累,并要加大力度利用已有优势吸引个人客户。资源的重新配置,在短时间内会使3G市场发展适度延后,但三家运营商综合实力差距拉近,有利于形成良性竞争的环境,也为提升中国自主研发能力和本土厂商提供更多机遇,促进3G市场长远发展。第三,不同于2G时代主要以话音和短信业务为主,3G业务更加多元化,无线互联网等增值类内容业务在模式、平台、内容等方面都需要大量积累。消费者对新业务从感知、接受、使用、形成消费习惯仍是个逐步演进的过程。因此,中国3G手机市场的发展仍是一个渐进的过程。
     我们也清楚地看到,国内主要的磁性元器件企业,在为3G手机配套方面仍需要从以下几方面努力,以争取在3G手机的商机中多分一杯羹。1、研发能力。3G手机选用合适的电子变压器、电感器,需要我们配套厂家的技术支持与推荐。作为磁性元器件企业,要培养一支既熟悉材料、加工工艺、又熟悉应用的研发技术队伍。2、品牌效应。和许多直接面对消费者的商品一样,对于手机配套用电子元件,同样有一个品牌认知概念。面对村田、普思、太阳诱电、TDK等品牌产品的竞争,国内厂商也应该不断树立自己的品牌效应,积极谋求自身在激烈竞争中的有利位置。3、积极融入前端设计,服务市场开拓。为实现成为3G手机的配套,融入前端设计,与手机设计工程师共同开发手机功能就成为市场开拓的重要内容和途径。 
     3G手机给低迷的手机市场注入新的动力,但目前三类3G制式的终端产业链都相对不成熟,加之用户认知与内容应用还处于初级阶段,2009年3G手机对市场的推动作用还有限。但随着新格局下运营商竞争和3G市场正式启动,国内手机终端市场新一轮快速增长期将会在2010年来临,2011年手机销量将超出2亿部。此外国际电子制造产业向中国的转移和当前环境下,消费者对价格的日益敏感,磁性元器件采购的本土化已是大势所趋,行业企业应抓住机遇,加大投入,在未来高速增长的3G手机市场中寻求更新更快的发展。

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