電子產品，一個完全不陌生的名詞。或許稍作觀察，您就會留意到您的生活中已經不可或缺電子產品了。確實，現代社會，科學技術迅猛發展，身邊越來越多人使用各種電子產品，手機、數碼相機、電腦、電視等等，各種電子產品的身影也是隨處可見。而電源管理技術在提倡節能環保及經濟不斷發展的今天，已經顯得越來越重要?？梢哉f，凡是電子產品都涉及到電源管理。如今，人們也已經越來越依賴電子產品了，對電子產品的功能要求是越來越高。社會環境、消費者、國家政策的指引等等，都對電源管理技術提出新的要求，電源管理技術的發展也在各種挑戰中不斷提升。這一期，我們將主要針對PC外設用電源，與您一起探討電源管理面臨的挑戰及發展方向。
節能推進電源管理技術發展 電源管理技術體現節能
隨著節能環保問題日益引起重視，如何開源節流已經成為很多半導體廠商主要考慮的問題。而對于電源管理，提升電源設計效率是半導體廠商與電源系統工程師最關注的問題。英飛凌一直持續致力于提升PC電源的效率，研發高效率的電源管理IC，并且提供系統解決方案。針對不同效率要求的PC臺式機電源，英飛凌都有相對應的完整系統解決方案。其中電源管理IC可以分別應用在有源功率因數校正，LLC諧振式半橋和全橋變換器，正激式PWM變換器，以及輔助電源模塊。IFX90ATX300W是英飛凌開發的300W標準ATX電源樣機，其效率超過全面90%，并且獲得80plus機構的白金認證(英飛凌是第一家獲得80plus白金證書的半導體供應商)。
英飛凌科技亞太私人有限公司高級工程師李冬博士指出：“對應于80plus金牌和白金效率的電源，我們特別推薦ICE3PCS0xG，ICE2HS01G和800V CoolSET。這三款IC可以最大限度的幫助優化功率電路的設計，減小功率損耗，提升效率，降低成本。”他還補充道，對應于80plus銅牌效率的電源，英飛凌推薦使用ICE1CS02。這顆IC將CCM PFC和正激變換器的控制集成在一起，可以最大限度的減小電源設計工程師的開發難度和時間。內建完整的保護功能，在故障出現時候，可以快速、準確地自我保護。集成的控制和內建的保護功能，還可以減少外部分離器件的數量，降低整機成本。
對筆記本電腦有強烈需求的消費人群來講，電池的持久性，更高的能效、設計的簡潔、攜帶的方便等都是消費考慮的主要因素。所以同樣地，作為一家專為功率及便攜設計提供高能效、易于應用及高增值的半導體解決方案——飛兆半導體。飛兆半導體第二代XS™ DrMOS系列FDMF6708N是經全面優化的緊湊型集成MOSFET解決方案加驅動器功率級解決方案，用于大電流、高頻率同步降壓DC-DC應用。與最接近的競爭產品相比，該器件在峰值負載下(15A)效率提高2.5%，在滿負載條件下(30A)效率改善6%。該器件適用于要求開關頻率在600KHz – 1.0MHz，輸入電壓甚至達到20V的應用?？勺屧O計人員使用更小、更薄的電感和電容，減小解決方案的尺寸，同時滿足熱性能要求。FDMF6708N器件能夠幫助設計人員應對設計挑戰，設計出更酷、更薄且具有更高能效的Ultrabook™產品。
無論從半導體廠商還是電源制造商的觀點來看，今后的主體發展趨勢仍將集中在進一步提高轉換效率，提升功率密度，高可靠性及更低成本。而電源的效率幾乎是電源技術與應用中永恒的主題，隨著全球經濟的一體化和對節能環保的關注，更高的轉換效率意味著對能源的有效利用和減少能耗開支。
例如，飛兆半導體提供的AIO解決方案非常適合75W~230W功率范圍應用，包括FAN6920MR集成式臨界導通模式PFC和準諧振電流模式PWM控制器產品;FAN7382柵極驅動器;以及用于反激式拓撲和正激續流整流的FAN6204次級端同步整流(SR)控制器。而且，這些器件都具有同級最佳的無/輕負載功耗，能夠實現達到2013 ErP標準的設計，并可省去LLC解決方案所需的附加電路。[page]
另外，以全球領先的高性能模擬集成電路(IC)設計及制造商而名的奧地利微電子，針對PC及外設用方面的電源管理IC則提供分立的低壓差線性穩壓器(LDO)、DC/DC轉換器及電源管理集成電路(PMIC)。其的LDO和DC/DC轉換器能耗及噪音都非常低。而PMIC產品提供了強大的系列編程設置，采用OTP(一次可編程)可靈活實現客戶所需的上電時序。
面對各種挑戰 半導體廠商各有戰術
當能效標準逐漸成為電子產品新的緊箍咒，各大電源半導體廠商不得不面對電源管理技術的全新挑戰。飛兆半導體 FDMF68xx Gen III DrMOS多芯片模塊(MCM)系列經設計能夠降低輸出感量和減少輸出電容器數目，與普通分立器件解決方案相比，該系列能夠節省多達50%的線路板空間，并提高效率，以期滿足新能源標準要求。使用飛兆半導體的高性能PowerTrench® MOSFET技術，FDMF68xx系列能夠顯著減少開關振鈴(switch ringing)，省去大多數降壓轉換器應用中使用的緩沖器電路。FDMF68xx系列配合針對刀片式服務器、高性能筆記本電腦、游戲主機和負載點(point-of-load)模塊的新能源標準和系統規范，正在推動業界對更高效率、更大電流、更高開關頻率以及更大功率密度的需求。
PC和外設電源的設計人員一直面對對空間有限、滿足世界各地能源法規要求，以及提供易于設計之解決方案的挑戰。對于領先的的電子設備品牌廠商，它們將節能和環境責任視為競爭優勢。鑒于價格也是一個市場驅動力，如果電源的成本過高，這些制造商可能放棄實現最低的額定待機功耗。因此，那些需要額外器件并且增加BOM成本的功率半導體解決方案在競爭中處于劣勢。
對于飛兆半導體這一類半導體企業來說，使用盡可能少的元器件來實現超低待機功耗的挑戰不是微不足道的。在待機/空載條件下有著數個功率損耗來源，而且，需要使用多種技術來解決所有這些問題。讓我們看看以下示例：
例如，通過利用700V JFET制造工藝，飛兆半導體器件能夠在器件開啟后切斷電路路徑，從而消除啟動電阻的損耗。大家知道電源可以在輕載狀況下進入間歇工作模式，通過減小開關頻率來降低MOSFET的開關損耗，飛兆半導體則更進一步，通過使用創新技術，在相同的設計部件中，同時降低功率 MOSFET和PWM IC的多種損耗。而對于15W以上的適配器，需要使用一個 X電容來抑制EMI，這需要使用一個泄放電阻來進行安全放電。飛兆半導體提供一項包括一個700V MOSFET的專利電路技術，省去電阻和隨之而來的原邊IC中的功率損耗。其它廠商現時只有采用一個或多個附加電路才能解決這個問題。一般解決方案會使用次級端調節電路來提供反饋控制功能，而飛兆半導體擁有專利的初級端調節(PSR)技術，不僅能夠減少反饋損耗，還能夠進一步降低功率IC的損耗。
“雖然各種工藝、電路和封裝技術能夠減少各方面的待機功耗，但是，僅僅在能夠同時應用這些技術形式時，才可能出現真正的突破。”飛兆半導體技術行銷副經理張瑞斌認為。
目前PC電源管理的主要挑戰是保持尺寸不變，大幅度提高效能。首先，選擇合適的拓撲是提高效能的基礎。當前，諧振式變換器以其零電壓開通的特點，在高效率電源中得到廣泛應用。然后，電源管理IC需要提供穩定的控制策略，最大限度地發揮諧振式變換器的優點。最后，隨著有源功率器件的技術進步，例如英飛凌領先的COOLMOS和碳化硅二極管，可以進一步提高電源轉換效率。
提高電源管理效能，一方面想要保持能量轉換的綜合效率，同時還希望減小設備的尺寸;另一方面是保護尺寸不變，大幅度提高效能。為此，奧地利微電子最新的產品經過特殊設計，可以極大地提高能源效率，同時降低整個電源解決方案的大小。
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不斷創新技術 降功耗提能效
半導體制造也是不斷在開發多種創新技術，如全新的控制方法，可以省去附加的外部組件，從而也可以降低功耗。只有不斷取得突破，才能保持行業發展的生命力。奧地利微電子電源產品市場經理Don Travers表示，奧地利微電子最新的產品提供獨特的功率管理，可以使用戶靈活地實現電源管理，從而極大地降低平均能耗，進而延長電池使用壽命。
而素以高可靠性、卓越質量和創新性著稱的英飛凌，在模擬和混合信號、射頻、功率以及嵌入式控制裝置領域掌握尖端技術。那么在電源管理技術中，英飛凌取得哪些突破?李冬博士娓娓道來，ICE3PCS0xG是第三代的連續電流模式功率因數校正控制IC，專門根據PC電源的要求作出優化設計。異于傳統的乘法器PFC控制策略，獨有的關斷時間控制，可以剔除復雜的外部瞬時正弦電壓采樣網絡。超低的-0.2V峰值電流保護門限，將電流采樣電阻上的損耗降至最低。內建的數字陷波濾波器，可以確保超低的總電流諧波畸變，同時保持快速的動態響應。
還有，ICE2HS01G是第二代的LLC諧振半橋控制IC，集成了副邊的同步整流驅動信號。創新的同步整流控制策略(專利申請中)，無論變換器工作頻率高于或者低于諧振頻率，都可以確保高效安全的工作。內建的保護功能，可以應對各種極端的故障狀況，比如輸出短路開機和過載。當輸出空載或者輕載時候，IC會進入打嗝模態，確保輸出電壓穩定。
另外，800V CoolSET把控制IC和800V MOSFET封裝在一起，簡化外部元器件的數目和設計復雜度。800V耐壓的MOSFET提供更高的電壓余量和靈活的變壓器設計。主動式的打嗝控制有效的降低待機功耗，滿足最新的待機能耗要求。
掌握核心技術也是企業不斷涌現新產品滿足市場需求的重要保證。mWSaver™是飛兆半導體對一系列嵌入在關鍵的功率適配器組件中的優化工藝和電路技術的統稱，這些功率技術創新包括五種專利技術(關斷時間調制、JFET HV(高壓)啟動電路、反饋阻抗開關、HV(高壓)放電和PSR控制)，以及間歇工作模式和超低靜態電流技術。所有采用mWSaver™ 品牌技術的產品將具有：業界最低的單位器件待機空載功耗;能夠降低電阻、電容、電感和整流器等外部器件的功耗;出色的滿負載額定效率;能夠超越世界各地所有的無負載法規要求;通過省去附加電路和外圍元器件數量來降低材料清單(BOM)成本，并集成了電壓過低檢測、欠壓閉鎖(ULVO)、過壓保護(OVP)、開環保護(OLP)和過熱保護(OTP)等功能。
對于電源制造商來說，mWSaver™技術意味著妥協的終結，他們能夠獲得其客戶所要求的超低待機功耗特性，同時減少組件并降低BOM成本。對于整個社會而言，這項技術在進一步降低能源損耗的邁出了重要的一步，防止不必要的自然資源的消耗，并且實現更清潔的環境。
未來PC及外設用對模擬IC的需求趨勢
目前。工業筆記本電腦設計的發展趨勢正在推動業界降低元器件高度，同時，功率和溫升要求促使業界提高功率密度和效率。此外，服務器的設計趨勢是轉向更高的功率密度，從而為服務器中心提供更高的單位計算功率，以滿足提高功率密度來減少運營支出的要求。飛兆半導體針對這些發展趨勢所開發的產品有FDPC8011S功率級和FDMF68XX系列 DrMOS產品。
張瑞斌向記者介紹：“FDPC8011S專為更高的開關頻率的應用而開發，在一個采用全Clip封裝內集成1.4m? SyncFETTM 技術和一個5.4m?控制MOSFET、低質量因子的N溝道MOSFET，有助于減少同步降壓應用中的電容數量并減小電感尺寸。該器件具有源極朝下和低側MOSFET可以實現簡單的布局和布線，提供更緊湊的線路板布局并獲得最佳的散熱性能。”FDPC8011S具有超過25A的輸出電流，與其它普通3x3mm2 雙MOSFET器件相比，輸出電流容量提高了2倍。
飛兆半導體 FDMF68xx Gen III DrMOS多芯片模塊(MCM)系列經設計能夠降低輸出感量和減少輸出電容器數目，與普通分立器件解決方案相比，該系列能夠節省多達50%的線路板空間，并提高效率，以期滿足新能源標準要求。使用飛兆半導體的高性能PowerTrench® MOSFET技術，FDMF68xx系列能夠顯著減少開關振鈴(switch ringing)，省去大多數降壓轉換器應用中使用的緩沖器電路。FDMF68xx系列配合針對刀片式服務器、高性能筆記本電腦、游戲主機和負載點(point-of-load)模塊的新能源標準和系統規范，正在推動業界對更高效率、更大電流、更高開關頻率以及更大功率密度的需求。
對此，李冬博士也表示，功能齊全和簡單易用是PC電源管理IC的需求，也是英飛凌的產品研發方向。
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電源管理技術發展方向——高轉換效率、高功率密度、高可靠性、低成本
有業界人士說，電源管理集成到一個系統能顯著降低成本，不僅可以提供所有電源管理功能，而且避免了相同功能的重復實現。共享資源的功能可以合并。張瑞斌指出，很多制造商喜好使用模塊解決方案，因為相比分立解決方案，模塊解決方案具有數項優勢。首先，模塊方案有助于提高系統的可靠性和效率。許多成套設備開發人員在設計功率部件和柵極驅動電路時遇到了困難，因其布局周邊是非常敏感的。而模塊解決方案在設計中考慮了這些因素，以期減小雜散電阻/電感并優化開關特性，這可以通過優化硅芯片安排及縮短引線粘接長度來實現。其次，模塊方案能夠簡化成套設備的設計和制造過程。
Don Travers卻不這樣認為。他說：“我們在高性能應用處理器方面的經驗顯示，高集成度并不比專用的PMIC解決方案更具成本效率。”
任何消耗功率的電子系統均可從獲益于更高的功率密度(更小的體積)和效率(更低的溫度和運營成本)。飛兆半導體滿足這些需求的解決方案包括： 改進半導體封裝來減少降低效率的寄生現象，并提高功率密度;投資開發基礎半導體技術，比如飛兆半導體的PowerTrench®工藝、SiC 和 GaN 工藝，以期提高功率效率;開發具有先進功率管理算法的高性能專用IC;在智能功率級(SPS) 和DrMOS等多芯片模塊中綜合利用所有上述技術，進一步提高功率效率和密度。
采用這些創新技術的市場將會遵循歷史趨勢——早期的采用者將成為努力樹立行業設計和性能標準的先驅企業，例子包括超薄型筆記本電腦廠商、超高效服務器制造商、追求設立新的能效標準白色家電制造商，以及致力突破效率和散熱限制LED照明產品制造商。
總而言之，特別是隨著節能、綠色電源和電子設備必須遵守強制性能效規范，電子產品多功能化，優化成本的發展趨勢，電源管理技術朝著提高轉換效率，提升功率密度，高可靠性及更低成本的節能方向邁進是符合市場發展需求的。
