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Icbank半导体行业观察

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移动设备充电有了新选择

2018-11-03
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自从1999年从摩托罗拉分拆出来,安森美半导体已运营了19年的时间。该公司主要关注五大重点市场,按今年第二季度的收入,汽车领域是安森美半导体比较看重的市场,营业额达到了31%;在工业和医疗领域,约有28%的份额;在通信、手机应用领域,占17%的收入份额;在消费类,包括电视机、空调等一些常用的家电产品领域,有14%的份额;最后是计算领域,例如适配器、服务器电源等,收入份额占10%。


在2017年全球前20大非存储器半导体供应商排名中,安森美半导体排名第13。如果从顶尖功率半导体分立器件和模块半导体供应商的2017年全球市场份额排名来看,安森美半导体排全球第二。


据安森美半导体模拟方案部AC-DC电源管理高级市场推广经理蒋家亮先生介绍,从2018年第二季度的销售概况来看,上文提到的五个主要的市场——汽车(31%)、通信(17%)、工业/医疗/航空-国防(28%)、消费(14%)和计算(10%)。根据渠道收入的划分,主要来源是代理商,约60%。其他直供的客户,比如OEM和EMSI(电子合约制造商),大概有40%。从区域市场收入分布来看,亚太区(不包括日本)占最大的份额,约60%。其他欧美和日本共有约40%。


图:安森美半导体模拟方案部AC-DC电源管理高级市场推广经理 蒋家亮


在全球各地,安森美提供不同的服务,如生产基地、解决方案工程中心(SEC),还有销售据点等等。美洲、欧洲这两个区域主要是前端的生产,比如做晶圆的部分。如下图所示,黄色的点是IC设计中心,也是主要在欧美两个地方。很多制造、后端的生产基地在亚太地区。此外还有设计中心、以及贴合客户需求,帮客户做方案的。所以亚太区主要是后端的生产。



不断收购 持续壮大

从2000年上市以后,一直到今年,总共18年的时间,安森美半导体已经完成了16家公司的收购。可以看出,该公司从做电源管理IC起家,一直在扩展,产品的覆盖范围越来越广。例如对三洋的收购,使安森美半导体的功率器件不断加强。其他的收购包括电脑中温度检测传感器或是图像传感器等。这不仅使我们拥有了更宽的产品线,也使其能够为客户做更完整的方案。



谈到该公司的战略方向,蒋家亮表示,我们会挑出一些快速增长的市场,比如汽车、物联网(IoT)、高性能电源转换(HPPC),还有电机控制,会投入很大的资源,投资新的IC。我们也会利用自己强大、宽泛的产品,为客户提供很多不同的整体方案。也会做一些优化,提升我们的供应链和制造的网络,提高品质。还有就是如何利用现有的资源跟客户进行沟通,多做一些定制化、为客户提供完整且具有差异化的解决方案。此外,对于新产品的开发,我们也协助客户加快他们的产品上市时间和收入。


适配器市场趋势

关于充电器,从以前非常笨重、充电时间很长的充电器,到现在只需要30分钟。从手机非常耗电,还不能随身带着的充电器,到后面比较轻巧的充电器,可能也有USB,但是瓦数非常小,慢慢出现了苹果的Lightning接口,目前演变到用USB Type-C接口进行充电,因为USB  Type-C正反插都可以,所以它的覆盖范围非常广,且容易使用。


我们看到,手机充电器从以前的低瓦数,变得越来越高了,例如国产手机充电起码要15瓦以上。如何做到快充也是目前市场关注的重点,同时,我们也不能做体积很大的手机充电器,追求的是高密度、高能效。另外,我们会设功率密度参数,目前在市场可以随意看到大概10W/in3的密度。


过去,USB有第一代、第二代、第三代,以及micro USB,插头比较小,还不能正反插。也看到过快充架构,快充1.0、2.0、3.0,但也是有限的,瓦数不到20瓦。快充4.0最多也是30瓦,瓦数上还是有限制。


蒋家亮表示:如果用USB Power Delivery(PD,供电),就可以覆盖到100瓦,也就是一个Type-C的接口可以充100瓦的能力。我们可以用同样USB Type-C接口的充电器给笔记本充电,也可以充手机,所以它的弹性非常大。这也是为什么安森美半导体会在这个部分发展一些新的电源方案,来配合USB PD的架构。


USB Type-C有很多优势,我们看到市场正在慢慢转用USB Type-C,因为USB Type-C能带来统一,每次用手机充电、传输数据、听音响,都用同一根USB Type-C线,这使得USB Type-C的使用越来越广泛。


如果我们的手机、手表或者电脑配上大而笨重的电源,会觉得很不好看,这也是为什么电源需要改朝换代的原因。对此,蒋家亮表示:安森美半导体为客户提供领先的方案,给客户新的选择。当然在电源方案方面也有一些挑战,不过我们能够克服。比如如何提高能效,尤其针对轻载的时候,因为每个充电器在使用时需要高密度,热管理也要做好。如何做到好的散热,也是很重要的。如果密度做得很高,每个器件,每个元件排列都要非常紧凑,很容易受到干扰,怎样做到性能好的EMI(抗电磁干扰)的同时,保持器件数少,也是高难度的事情。做一个电源能够覆盖全部应用,从笔记本到手机都可以充电的,这才是目前看到的发展方向。


有源钳位反激(ACF)方案


性价比考量很重要,在这方面,安森美半导体为市场提供了新的方案选择,尤其是NCP1568和NCP51530,NCP1568自适应是新的拓扑结构,是有源钳位反激控制器。有源钳位在市场上已经有很长的历史了。反激架构则比较新。


如果有一些性价比更好的,不需要那么高密度的方案,可能就是高频准谐振方案,蒋家亮表示:我们有NCP1342。普通密度方案则有NCP12601,这是标准、普通的芯片。如果客户要求做最简单,最便宜,允许变压器大点,则可以用低频率的开关方案去做。那么,频率的高和低,区别在哪里呢?主要是变压器的大小,普通变压器比较大,如果要跑高密度的话,变压器就可以缩小为原来三分之一那么大,这是非常容易做到高密度的原因。



谈到成本时,蒋家亮表示:变压器大概占电源方案的1/3价格,变压器可以省掉一些成本,但是可能要花一些钱去买IC,从长远来看,变压器能够降的成本不多, IC的价钱有很多空间。除了缩小变压器,还可以改变其他元件,比如说电容相对来说可以更小。因为跑高频,两三个电容以前很大,但现在跑高频,电容可以变小,电容价钱更便宜,变压器也相对便宜了,PCB也便宜了。例如变压器可能贵了20%,如果产量很大,20%的差额基本上可以弥补,总成本会变得便宜。所以成本还是要看量的。


传统的反激拓扑架构。一般有个变压器,还有MOSFET,开、关的时候会产生很多高频的EMI,影响周边的器件,会带来一些损耗。如果不想产生EMI,周边有电路把它吸收掉,吸收掉就等于损耗掉,等于跑高频越多,损耗越多,所以传统的反激拓扑结构有限制,不能跑高频,就是这个原因。


假如用有源钳位方案,就是在上面多加一个MOSFET,在上面多加一个电容,但同样有吸收能量的地方。但是当MOSFET关的时候,全部的能量会送到电容里储存起来,之后会重新利用电容里的能量,此时,同样把MOSFET的开关的电压设置为零伏,去开下边的MOSFET就等于是零伏的电压开关。这是有源钳位带来的优势。


如何做到高频的呢?因为每一次开关的时候,都是零电压开关,等于没有损耗。关掉的时候,也可以把那些会产生EMI损耗的能量全部重新利用,把它传递到二极管,等于整个电源转换过程不会有损失,变成了既可以做高频,也可以实现低EMI,同时还会保持非常好的能效,这是有源钳位的好处。


安森美IC里边有一个自适应的机制,功率在哪个位置,会在这个负载点作出开关优化,减少开关管开通损耗,是非常有效率的IC。同样也集成一些自适应的死区时间,能够把一个开关的操作做得非常完美,也减少了其中的损耗。


蒋家亮表示,我们这个IC有一个非常好的地方,就是它的导入模式,因为有源钳位(ACF)不能从零负载到满负载都是ACF状态的,如果满负载是ACF,轻载也是ACF,待机也是ACF的话,可能做不好。所以我们要把当中的一个点,就是IC会自动切换成ACF转到非连续导电模式(DCM)状态。这个IC目前最强的是能够做到待机功耗小于30m/W,也可以在ACF模式下把轻载做好。该IC有内嵌启动的部分,也会有输入的欠压保护,也可以把待机做得更好,做得更低。


在自适应零电压(ZVS)开关方面,我们希望能够保持每一个开通的周期都是零损耗的,有一些ACF可能没有做得很完美,在满载的状态下非常好,但是轻载的时候就不好了,可能跑到负电流很大。假如有自适应零电压开关的话,稍微检测到一点点,马上就开通MOSFET,就等于可以允许开关频率很高。但是开关频率高了,开关的数量多了,损耗没有提高,频率跑得快,也可以保持零电压开关状态,这也是该IC非常强的地方。


除了NCP1568、NCP51530,安森美也做了很多不同的方案,比如用超结MOSFET来做,性价比非常好。


目前,氮化镓还未流行起来,因为相对来说比较贵。所以在高密度的部分,如果能够用到普通的超结MOSFET,也能做到高密度,那这就是首选的方案。


蒋家亮表示:将来的氮化镓功率管,也可以使用ACF拓扑,这取决于客户的目标。客户有不同的兴趣,有些希望用超结就好,有些可能追求更高密度的,希望把氮化镓放在里面,不限于低频,反而希望更高频。安森美半导体的IC能够跑高频,配氮化镓。同样用我们的IC,做设备降损,也可以在上百K的位置达到非常好的能效。


如果拓扑结构没办法跑高频,用氮化镓跑高频的话也是浪费的。所以一定要把氮化镓配上对的拓扑,比如说有源钳位或者LLC零电压切换的拓扑才跑高频,这种情况下比较适合使用氮化镓。


蒋家亮表示:安森美的IC方案非常有弹性,无论是60瓦,90瓦,甚至可能做27瓦。目前市场比较流行的12瓦标准的充电器,也可以做到27瓦,所以相对来说密度非常高。


半桥驱动器很多厂商都做,安森美半导体也有。为什么特别说这个呢?因为这应该算是目前全球跑得最快的半桥驱动器了。大家可以注意这几个参数,如下图所示,从信号到输出,延迟只有7纳秒,非常小。它的爬升时间和下降时间,都非常短,因此,我们可以开发这些半桥驱动,用这个IC配NCP1568,做出高密度,跑高频,这些是非常重要的参数。


通过与其他竞争对手产品做比较,从 IC本身的耗电量或者自己在正常驱动的时候发烫的效率来看,安森美的IC做得非常好,损耗非常低。



据蒋家亮介绍,目前有源钳位反激式拓扑结构还比较新,市场接受程度还不是很高,这正是该拓扑结构推广的机遇。USB PD电源部分确实已经扩展得很快,无论是手机充电或者笔记本充电,都已经有了很明显的发展方向,比如说联想、戴尔、惠普,他们未来笔记本的电源充电可能不是高密度,而是普通密度。目前,三家加起来总共有约1.5亿的量。今年,约有30%的笔记本电脑适配器用USB Type C PD,预计明年将达到50%,即差不多有7500万 台,其中有多少个变成超高密度或高密度呢?可能是1/10。目前我们看到市场上如小米等好几家都在做USB Type C PD,我们会紧跟他们的需求,做好配合工作。


文/半导体行业观察 张健


今天是《半导体行业观察》为您分享的第1755期内容,欢迎关注。


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