便携产品再攀高峰 电源管理老树又开新花
2009-12-04 14:57:16
来源：国际电子商情
融合风成为引领便携式电子产业前进的主导力量，也让便携式产品和其他电子产品的边界越来越模糊，电脑、电视、投影仪等产品相继缩水，为火热的移动便携产品市场再添新柴。便携式产品功能多样化的同时，也让系统的电源管理日趋复杂；既要全方位支持游戏、照相、音视频、网络和通信功能，还必须在螺蛳壳内作道场，尽可能地延长电池的工作时间。作为所有功能的动力之源，电源系统一直是便携式产品设计中备受瞩目的焦点。
在电子产品领域中，便携式产品是发展最迅速，也是最活跃的应用之一。电源承担了支持整个系统运转的重任，因而对便携式产品的发展最为敏感。作为电源IC供应商，他们对于终端系统的走向可以说了如指掌。美国国家半导体亚太区电源管理产品市场部经理钟建鹏指出，随着便携式产品在处理能力上不断提高，越来越多的新功能正不断出现在便携式应用中。“以手机为例，今天的智能手机中，主芯片处理能力几乎接近个人电脑，各种商务、娱乐、多媒体以及GPS功能都可以通过手机实现。”此外，便携产品也越来越注重用户使用体验。他提醒便携式产品设计者必须不断提高产品在视觉、听觉上的表现，并且不断提高产品的易用性。
圣邦微电子市场总监徐前江认为，电源管理IC的发展基本来自于以下四个方面的压力：即能源转化形式的控制；用户对终端产品电池使用时间长短和产品舒适性、时尚性的体验；电器待机功耗标准；以及工程师对设计简易性、方便性的要求。因而，他得出结论，便携产品电源管理IC的发展方向为：可编程化、使用更简易方便、成本更低、更高开关频率、更小输出纹波、能量转换效率更高、更小更薄的封装、接口形式灵活多样以及与目标系统结合更紧密，即要以系统的眼光来设计电源管理IC。
动态电压调节DVS正当红
便携式产品突飞猛进的背后，电源管理功不可没。经历了数十年不断发展完善，电源管理芯片从单纯的分立器件演变为PMU与分立器件平分天下的局面。数字电源技术和模拟电源技术酣战正热，又杀出融合数字、模拟技术的混合信号电源，它们既有数字电源解决方案简易的优势，又可达到模拟电源方案的高效率。如今，无论从哪个角度来看，电源管理已堪称理想之选，那么鏖战在便携式电源管理的老将们还能想出什么新招式？
“不断增加的新功能不断提升系统的处理能力，从而直接增加了产品的用电负荷，也令PCB的空间越来越有限。”钟建鹏指出目前电源管理芯片面对的挑战是在更小的空间里增加更多的电源输出能力，并且令效率得到最大的优化，输出的噪声得到最好抑制。“正如我们所看到的，目前所有基于不同电源管理拓扑的芯片效率都几乎达到了极限。系统的用电效率已经不能单纯靠提高电源转换效率得到很大的改善。”他强调，提高效率的设计重点已经从电源转换环节过渡到了负载环节，如何最聪明地让负载尽量减少不必要的耗电成为设计的关键。目前，最常见的这类技术是动态电压调节技术(DVS)。
无独有偶，飞兆半导体两位专家也认为DVS及其相关应用将继续成为便携电子设备的主要发展趋势。该公司技术市场经理PeterKhailolomour说：“DVS是以智能的方式，根据负载的状态和要求来调节电压，从而达到节能的目的。”这项技术最初用于内核处理器供电，而目前则渐渐见于RF功率放大器供电，帮助延长手机的通话时间并增加功能集。
根据任务的紧迫程度来动态调节处理器运行电压，DVS可以平衡任务响应时间和系统低能耗。飞兆业务发展经理JohnWhalen认为：“虽然DVS的优势是众所周知的，不过要证明随同此优势而来的复杂性、占用空间和成本增加是合理的，却不容易做到。”根据大多数定义，DVS需要一个能够高效地逐步降低电压的机制，这可通过引入降压转换器来实现，而所有的降压转换器都需要一个电感/电容滤波器网络。从这角度来看，使得DVS可行的一个主要挑战是在减小解决方案的体积和成本之余，同时保持高转换效率。
电源管理也要“量体裁衣”
节能风潮是推动2010~2013年电源管理芯片利润增长的主要驱动力，因此未来更复杂、更昂贵的电源管理解决方案将应运而生。集成更多高耗电功能和越来越长的使用时间继续走向两个极端，尤其那些对电池续航力敏感的便携式产品而言，电源管理的难度将成为考验设计成败的关键。
安森美半导体公司计算及消费产品部全球电源销售及市场总监郑兆雄说：“要实现便携设备的节能，必须选择恰当的电源架构及恰当的电源IC。”他还和本刊记者分享了安森美的节能经验：首先，设计工程师需要确定便携设备的各项功能应当何时及为何开启或关闭，定义出电源域，例如用户在使用蓝牙语音通信功能时，所有与语音有关的信号处理都由蓝牙模块来操作，此时主基带中的语音处理功能应当关闭，由此可以定义蓝牙语音通信电源域、确定功率需求及功率预算。在确定电源域后，设计人员就需要有针对性地选择恰当的稳压器，如为了给高耗电的应用处理器供电，需要选择提供高能效(转换效率高于90%)、低散热、极小尺寸和外部组件数量少等优势的电感型DC-DC开关稳压器。而为了给射频及噪声敏感型功能供电，可能仍然需要低噪声的低压降(LDO)线性稳压器。另外，设计人员需要确定选择先进的电源管理功能，如DVS、动态频率调节(DFS)等。
钟建鹏则归纳出兼顾效率、成本和尺寸的理想方案是根据系统需求选择最合适的供电方案，即根据负载的特性选择合适的电源转换方式。他进一步举例说明，对大电流低电压的负载(如处理器核心电压)应该采用效率最高的DC-DC方案；而对于在供电噪声、纹波要求很高的负载来说(如射频或者模拟负载)，LDO通常是更好的方案。“此外，选择一款和系统要求高度匹配的PMU通常是最理想的方式。与分离器件相比，PMU的高集成度具有成本优势，并对电源方案进行了合理分配。”他说。
本土企业：跨越PMU门槛，静候超级用户
PMU一直以来是海外大牌企业成熟技术之间过招的利器，而近年来随着中国本土企业在电源市场占有一席之地后，也逐渐试水PMU，并对PMU提出了各自的看法。
“PMU是电源厂商让客户降低系统成本的主要手段，但它和主芯片一个萝卜一个坑的配对方式，让它面对差异化设计时无能为力，而其单一的采购压力让工程师既爱又恨。”徐前江分析PMU是一柄双刃剑，既有省时省力的一面也有闹心的一面。“而分立方案，它可以选用最匹配的生产工艺，以最低的成本和最好的性能，为差异化设计量身定做，其灵活多变的应用让客户设计的产品在市场上可以独一无二。”他建议工程师在设计产品时采用“按需选择”准则：若是成本敏感的设计，采用集成化方案；若是差异化设计，一般用性能好的分立方案和系统主芯片组合设计。
不走寻常路的上海岭芯微电子凭借和国内代工厂结盟的方式闯出自己的天地，而近期他们也低调地进入了PMU市场。该公司CEO张翌透露，岭芯的第一颗10通道PMU已研发成功。“随着本土电源管理公司的不断成长，普通的DC-DC、LDO、Charger等模块应当都已经基本成熟。组装简单PMU的技术门槛会很快不再是本土企业的拦路虎。”他认为阻止本土企业发展PMU的主要障碍是产品的市场规模，“总的来讲，中国缺乏三星、LG之类的超级用户，而PMU设计，特别是封测的初期投入很难在小市场上赚回来。”
海外品牌：PMU和分立器件不可偏废
集成化风潮不仅在产品功能上越演越烈，电源管理芯片也朝向高集成度发展；而分立方案凭借灵活的优点仍占有一席之地。面对“分分合合”的电源管理芯片，拿捏集成和分立的尺度成为考验电源管理供应商指挥的标尺。面对分立和集成，Khailolomour的观点是系统的智能划分。在一个系统中大多数的电源轨具有等于或低于5V左右的低电压，只有少数通常用于串行LED照明、电池充电或接口保护才具有较高的电压的电源轨。Khailolomour特别指出，由于硅晶圆的制造过程包括一个层堆叠的过程，即使仅有一个或两个通道需要高电压设备，整个电源管理芯片(PMIC)硅片也要增加高压掩模层，导致成本增多。提高集成度固然是半导体的大势所趋，但要达成全面的优化，则需要创新的系统划分模式。
此外，不可以回避的是便携式产品设计周期短，还没有哪家电源厂商的PMU设计速度可以追得上。“PMU的演进速度比设备所需功能的演进速度来得慢，因而有时PMU不能为新的特定负载点提供所需的性能或能量。”不仅如此，Khailolomour还提醒工程师们，如果从一个PMU向整个系统进行功率发送，则更容易出现噪声问题。“因而，系统设计人员必须小心取舍，衡量增添一两个分立器件的所节省的成本支出、产品上市时间与集成方案的潜在风险。”
即使集成电路进入纳米时代，基础的分立元器件依旧有其用武之地。电源管理方面也是如此，分立方案始终有它存在的意义。“集成度和灵活性一定会存在一些的矛盾，不可能有一款PMU适合所有不同的设计。”钟建鹏相信分离电源方案一定会长期存在，“至于哪些构件适合采用PMU或者分立器件，其实并没有固定的规律，而是由具体设计来决定。”
钟建鹏认为，在目前，大部分的设计者希望PMU集成那些和主芯片组相关的供电功能(如DC-DC、LDO)，以及一些常规存在功能(Charger、Comparator、RTC等)；
而那些和产品个性设计相关的功能如灯光管理、闪光灯驱动等，显然由分立方案实现更加合适。
“电源管理芯片集成度的提高是一个动态的过程。”郑兆雄指出PMIC除了提供功率，还可以集成所需的全部模拟功能，如电池充电器、USBOTG收发器、音频信号处理及放大、白光LED驱动器等，“但是我们看到，便携产品能够集成的新功能越来越多，而便携产品开发人员面临着开发周期越来越短的压力。”对电源管理芯片设计人员而言，集成新功能需要他们较长时间的投入，这也推动了集成度相对较低的电源管理芯片的需求，因为便携产品设计人员能够在这种芯片之外，灵活地结合采用分立电源IC，快速地满足新功能需求，使其产品在市场上形成差异化，提高竞争力。
电源管理芯片的集成度会越来越高；此外，随着新功能的出现，往往又需要分立的电源芯片来支持。正如郑兆雄所说，市场成熟后，分立电源IC的功能可能会被集成到高集成度的电源管理IC中，但之后又可能会出现新的功能需求，从而需要新的分立电源IC，如此反复。因此，市场一方面需要高集成的电源管理芯片，另一方面又需要满足特定新功能的分立电源芯片。
在电子产品领域中，便携式产品是发展最迅速，也是最活跃的应用之一。电源承担了支持整个系统运转的重任，因而对便携式产品的发展最为敏感。作为电源IC供应商，他们对于终端系统的走向可以说了如指掌。美国国家半导体亚太区电源管理产品市场部经理钟建鹏指出，随着便携式产品在处理能力上不断提高，越来越多的新功能正不断出现在便携式应用中。“以手机为例，今天的智能手机中，主芯片处理能力几乎接近个人电脑，各种商务、娱乐、多媒体以及GPS功能都可以通过手机实现。”此外，便携产品也越来越注重用户使用体验。他提醒便携式产品设计者必须不断提高产品在视觉、听觉上的表现，并且不断提高产品的易用性。
圣邦微电子市场总监徐前江认为，电源管理IC的发展基本来自于以下四个方面的压力：即能源转化形式的控制；用户对终端产品电池使用时间长短和产品舒适性、时尚性的体验；电器待机功耗标准；以及工程师对设计简易性、方便性的要求。因而，他得出结论，便携产品电源管理IC的发展方向为：可编程化、使用更简易方便、成本更低、更高开关频率、更小输出纹波、能量转换效率更高、更小更薄的封装、接口形式灵活多样以及与目标系统结合更紧密，即要以系统的眼光来设计电源管理IC。
动态电压调节DVS正当红
便携式产品突飞猛进的背后，电源管理功不可没。经历了数十年不断发展完善，电源管理芯片从单纯的分立器件演变为PMU与分立器件平分天下的局面。数字电源技术和模拟电源技术酣战正热，又杀出融合数字、模拟技术的混合信号电源，它们既有数字电源解决方案简易的优势，又可达到模拟电源方案的高效率。如今，无论从哪个角度来看，电源管理已堪称理想之选，那么鏖战在便携式电源管理的老将们还能想出什么新招式？
“不断增加的新功能不断提升系统的处理能力，从而直接增加了产品的用电负荷，也令PCB的空间越来越有限。”钟建鹏指出目前电源管理芯片面对的挑战是在更小的空间里增加更多的电源输出能力，并且令效率得到最大的优化，输出的噪声得到最好抑制。“正如我们所看到的，目前所有基于不同电源管理拓扑的芯片效率都几乎达到了极限。系统的用电效率已经不能单纯靠提高电源转换效率得到很大的改善。”他强调，提高效率的设计重点已经从电源转换环节过渡到了负载环节，如何最聪明地让负载尽量减少不必要的耗电成为设计的关键。目前，最常见的这类技术是动态电压调节技术(DVS)。
无独有偶，飞兆半导体两位专家也认为DVS及其相关应用将继续成为便携电子设备的主要发展趋势。该公司技术市场经理PeterKhailolomour说：“DVS是以智能的方式，根据负载的状态和要求来调节电压，从而达到节能的目的。”这项技术最初用于内核处理器供电，而目前则渐渐见于RF功率放大器供电，帮助延长手机的通话时间并增加功能集。
根据任务的紧迫程度来动态调节处理器运行电压，DVS可以平衡任务响应时间和系统低能耗。飞兆业务发展经理JohnWhalen认为：“虽然DVS的优势是众所周知的，不过要证明随同此优势而来的复杂性、占用空间和成本增加是合理的，却不容易做到。”根据大多数定义，DVS需要一个能够高效地逐步降低电压的机制，这可通过引入降压转换器来实现，而所有的降压转换器都需要一个电感/电容滤波器网络。从这角度来看，使得DVS可行的一个主要挑战是在减小解决方案的体积和成本之余，同时保持高转换效率。
电源管理也要“量体裁衣”
节能风潮是推动2010~2013年电源管理芯片利润增长的主要驱动力，因此未来更复杂、更昂贵的电源管理解决方案将应运而生。集成更多高耗电功能和越来越长的使用时间继续走向两个极端，尤其那些对电池续航力敏感的便携式产品而言，电源管理的难度将成为考验设计成败的关键。
安森美半导体公司计算及消费产品部全球电源销售及市场总监郑兆雄说：“要实现便携设备的节能，必须选择恰当的电源架构及恰当的电源IC。”他还和本刊记者分享了安森美的节能经验：首先，设计工程师需要确定便携设备的各项功能应当何时及为何开启或关闭，定义出电源域，例如用户在使用蓝牙语音通信功能时，所有与语音有关的信号处理都由蓝牙模块来操作，此时主基带中的语音处理功能应当关闭，由此可以定义蓝牙语音通信电源域、确定功率需求及功率预算。在确定电源域后，设计人员就需要有针对性地选择恰当的稳压器，如为了给高耗电的应用处理器供电，需要选择提供高能效(转换效率高于90%)、低散热、极小尺寸和外部组件数量少等优势的电感型DC-DC开关稳压器。而为了给射频及噪声敏感型功能供电，可能仍然需要低噪声的低压降(LDO)线性稳压器。另外，设计人员需要确定选择先进的电源管理功能，如DVS、动态频率调节(DFS)等。
钟建鹏则归纳出兼顾效率、成本和尺寸的理想方案是根据系统需求选择最合适的供电方案，即根据负载的特性选择合适的电源转换方式。他进一步举例说明，对大电流低电压的负载(如处理器核心电压)应该采用效率最高的DC-DC方案；而对于在供电噪声、纹波要求很高的负载来说(如射频或者模拟负载)，LDO通常是更好的方案。“此外，选择一款和系统要求高度匹配的PMU通常是最理想的方式。与分离器件相比，PMU的高集成度具有成本优势，并对电源方案进行了合理分配。”他说。
本土企业：跨越PMU门槛，静候超级用户
PMU一直以来是海外大牌企业成熟技术之间过招的利器，而近年来随着中国本土企业在电源市场占有一席之地后，也逐渐试水PMU，并对PMU提出了各自的看法。
“PMU是电源厂商让客户降低系统成本的主要手段，但它和主芯片一个萝卜一个坑的配对方式，让它面对差异化设计时无能为力，而其单一的采购压力让工程师既爱又恨。”徐前江分析PMU是一柄双刃剑，既有省时省力的一面也有闹心的一面。“而分立方案，它可以选用最匹配的生产工艺，以最低的成本和最好的性能，为差异化设计量身定做，其灵活多变的应用让客户设计的产品在市场上可以独一无二。”他建议工程师在设计产品时采用“按需选择”准则：若是成本敏感的设计，采用集成化方案；若是差异化设计，一般用性能好的分立方案和系统主芯片组合设计。
不走寻常路的上海岭芯微电子凭借和国内代工厂结盟的方式闯出自己的天地，而近期他们也低调地进入了PMU市场。该公司CEO张翌透露，岭芯的第一颗10通道PMU已研发成功。“随着本土电源管理公司的不断成长，普通的DC-DC、LDO、Charger等模块应当都已经基本成熟。组装简单PMU的技术门槛会很快不再是本土企业的拦路虎。”他认为阻止本土企业发展PMU的主要障碍是产品的市场规模，“总的来讲，中国缺乏三星、LG之类的超级用户，而PMU设计，特别是封测的初期投入很难在小市场上赚回来。”
海外品牌：PMU和分立器件不可偏废
集成化风潮不仅在产品功能上越演越烈，电源管理芯片也朝向高集成度发展；而分立方案凭借灵活的优点仍占有一席之地。面对“分分合合”的电源管理芯片，拿捏集成和分立的尺度成为考验电源管理供应商指挥的标尺。面对分立和集成，Khailolomour的观点是系统的智能划分。在一个系统中大多数的电源轨具有等于或低于5V左右的低电压，只有少数通常用于串行LED照明、电池充电或接口保护才具有较高的电压的电源轨。Khailolomour特别指出，由于硅晶圆的制造过程包括一个层堆叠的过程，即使仅有一个或两个通道需要高电压设备，整个电源管理芯片(PMIC)硅片也要增加高压掩模层，导致成本增多。提高集成度固然是半导体的大势所趋，但要达成全面的优化，则需要创新的系统划分模式。
此外，不可以回避的是便携式产品设计周期短，还没有哪家电源厂商的PMU设计速度可以追得上。“PMU的演进速度比设备所需功能的演进速度来得慢，因而有时PMU不能为新的特定负载点提供所需的性能或能量。”不仅如此，Khailolomour还提醒工程师们，如果从一个PMU向整个系统进行功率发送，则更容易出现噪声问题。“因而，系统设计人员必须小心取舍，衡量增添一两个分立器件的所节省的成本支出、产品上市时间与集成方案的潜在风险。”
即使集成电路进入纳米时代，基础的分立元器件依旧有其用武之地。电源管理方面也是如此，分立方案始终有它存在的意义。“集成度和灵活性一定会存在一些的矛盾，不可能有一款PMU适合所有不同的设计。”钟建鹏相信分离电源方案一定会长期存在，“至于哪些构件适合采用PMU或者分立器件，其实并没有固定的规律，而是由具体设计来决定。”
钟建鹏认为，在目前，大部分的设计者希望PMU集成那些和主芯片组相关的供电功能(如DC-DC、LDO)，以及一些常规存在功能(Charger、Comparator、RTC等)；
而那些和产品个性设计相关的功能如灯光管理、闪光灯驱动等，显然由分立方案实现更加合适。
“电源管理芯片集成度的提高是一个动态的过程。”郑兆雄指出PMIC除了提供功率，还可以集成所需的全部模拟功能，如电池充电器、USBOTG收发器、音频信号处理及放大、白光LED驱动器等，“但是我们看到，便携产品能够集成的新功能越来越多，而便携产品开发人员面临着开发周期越来越短的压力。”对电源管理芯片设计人员而言，集成新功能需要他们较长时间的投入，这也推动了集成度相对较低的电源管理芯片的需求，因为便携产品设计人员能够在这种芯片之外，灵活地结合采用分立电源IC，快速地满足新功能需求，使其产品在市场上形成差异化，提高竞争力。
电源管理芯片的集成度会越来越高；此外，随着新功能的出现，往往又需要分立的电源芯片来支持。正如郑兆雄所说，市场成熟后，分立电源IC的功能可能会被集成到高集成度的电源管理IC中，但之后又可能会出现新的功能需求，从而需要新的分立电源IC，如此反复。因此，市场一方面需要高集成的电源管理芯片，另一方面又需要满足特定新功能的分立电源芯片。
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