PMU在便携式设备将有越来越多的机会

2011-10-25 09:13:44来源: 国际电子商情 关键字:PMU
手机市场已经经历一个从功能手机快速过渡到智能手机的发展阶段,由此我们也看到了应用处理器从单核向多核迅速升级的发展趋势。另一方面,平板电脑的迅速普及也让双核甚至四核处理器在便携电子设备中大行其道。更大的显示屏、更多的传感器件、更多的网络连接方式、更强大的数据处理能力……为了满足人们的各种不同需求,下一代便携设备集成的功能也越来越千变万化。高清和3D视频播放、Flash界面和无线宽带上网已经成为便携式移动电子设备的主要卖点,这要求移动处理器能够提供更强的处理能力。而要在同样纤薄外形下提供满足用户期望的工作寿命,亦对系统电源管理提出了很大的挑战。怎样的电源管理器件最适合下一代便携电子设备?全球领先的电源管理芯片大厂为此做了哪些准备?本期我们邀请了众多业内电源管理专家,他们就下一代便携电子设备的系统电源管理策略发表了精辟看法,并介绍了一些最新产品。


EXAR公司电源产品营销总监Pete Johnson

PMU将成为应用主流

EXAR公司电源产品营销总监Pete Johnson表示,移动电源管理的系统设计存在不少挑战。第一,需要更低静态功耗以实现更长的电池寿命。第二,需要众多的处理器、内存和外围设备来实现多重任务的强大应用功能,这就需要不同电压等级和测序,使得整个系统复杂化。第三,需要高度集成的解决方案来管理整个电源管理系统。


Dialog公司策略市场及业务发展总监Mark Hopgood

Dialog公司策略市场及业务发展总监Mark Hopgood也指出,多核意味着对电源管理一系列新的挑战,包括:各个智能处理模块之间的同步、结构复杂但却独立的电源管理IC之间的连接/断开通信等。此外,随着4G(LTE)的发展,移动通信基带芯片中的电源管理模块将逐渐瓦解。这意味着在单个设备中,独立的电源管理IC(PMU/PMIC)将有越来越多的机会,来同时满足应用处理器和4G通信基带IC的需求。

电源管理单元(PMU)是一种高低集成的、针对便携式应用的电源管理方案,即将传统分立的若干类电源管理器件整合在单个的封装之内,这样可实现更高的电源转换效率和更低功耗,及更少的组件数以适应缩小的板级空间。

PMU、DC-DC以及LDO在电子设备中扮演不同的角色。PMU在有限的体积内集成了尽可能多的电源通道,根据各个子单元的需求,或提供高效率的供电,或提供低噪声的干净电源,或者是系统必须的上电时序控制,成为为系统供电的首选;DC-DC可以根据功能单元的需求,提供自由、高效的电源供应,在智能手机中成为不可或缺的部分;LDO作为线性电源的标杆,在低压系统中,无论是音频、射频等需要高PSRR(电源噪声抑制比)性能的应用,还是在存储器、锁相环等需要高精度的应用,或是键盘灯、液晶屏需要低成本抑制干扰的应用都可以看到它的身影,LDO是必不可少的电源供应者。

Mark介绍,Dialog是第一家提供完全可配置PMIC的公司,这使得一台设备在得到优化后可以为客户提供许多不同的应用,一种尺寸就能适合所有的解决方案。Dialog半导体可提供两种类型的电源管理IC:客户ASIC和标准的ASSP。此外,Dialog也有集成音频编解码器和音频放大器的PMIC。这样的解决方案具有常见的混合信号技术的优势,提供综合解决方案,并能够降低电路板面积和便携式手持设备的尺寸。

集成化电源管理应用的PMU

TI公司也在早前大量发布了针对平板电脑电源管理系统应用的PMU器件。目前,平板电脑的ARM核架构主要有TI的OMAP/Sitara平台、Nvidia Tegra平台、Samsung以及飞思卡尔的i.MX平台。TI的PMU主要是搭配自己的处理器平台来提供技术支持。据该公司技术人员介绍,TPS65951/TPS65910是搭配OMAP3 处理器平台的专属电源管理芯片,TWL6030则专门配套负责OMAP4平台的电源部分。

飞思卡尔在为便携式电子设备开发集成化电源管理芯片方面具有超过17年的经验,在这一领域也积累了诸多自主知识产权。SmartMOS技术迄今已是其第六代,应用该技术的集成化电源管理芯片出货也早已超数亿片。


飞思卡尔半导体模拟产品中国区市场经理曾志军

飞思卡尔半导体模拟产品中国区市场经理曾志军介绍,该公司集成化电源管理芯片也主要服务于自己的i.MX处理器,为其提供全方位的技术支持,包括各种参考设计、针对各种处理器的驱动程序等等。目前其电源管理芯片(PMU)已广泛运用于电子书、平板电脑以及其它一些手持式单节电池供电设备和车载娱乐等市场。曾志军介绍,其新系列集成OTP可编程的电源管理芯片也在开发中,具有可编程使用灵活性,以及大电流开关式充电、高精度电量计、Micro-USB接口等功能。

比如飞思卡尔的的MC34708 PMIC新特性专门应用于i.MX50系列和i.MX53产品线,针对单锂离子电池应用提供了高度集成。MC34708合并了大量电源以支持i.MX处理器,以及一组系统外设IC。集成的双输入开关充电器可以实现更短的充电时间,不管是直连输入电源还是USB输入电源,对于USB输入可支持自动充电模式,可与通用充电标准兼容。集成的迷你/微型USB开关允许通过单一接头连接音频、UART和USB,降低系统成本并实现更加流线化的美学设计。其它特性包括库伦计数器、通用10位ADC、实时时钟(带备用电池和充电器)、LED指示灯驱动和6个GPIO端口。MC34708 PMIC还可以用于大量非电池供电的应用,这些应用使用充电器来补充电量。预计将在MC34708之后推出具有不同集成程度的产品系列,面向特定的终端应用。

作为专门针对某个AP平台设计的PMU,其针对性强,应用简单,但无可避免的就是应用不够灵活。而作为分立方案提供者,DC-DC设计灵活,对于具体的应用可以做到很高的效率,且性价比好,同样受到了众多电源厂商的青睐。


飞兆半导体移动、计算、消费和通信市场行销暨应用工程部高级市场业务推广经理李文辉

飞兆半导体移动、计算、消费和通信市场行销暨应用工程部高级市场业务推广经理李文辉表示,PMIC单芯片式的整合,毫无疑问在成本上有很大的优势,但在未来会存在的问题是:产品本身的输出电流会越来越多,高输出电流媒体处理器如果采用PMIC,将会面临IC制程、漏电以及芯片本身的发烫散热等问题,使得情况相当复杂。“如果单纯依靠PMIC,是不能满足今后的发展方向的。”李文辉强调。

Mark Hopgood也表示,从智能手机和平板电脑市场都存在不断增长的更高电流需求。随着电流的增加(现在我们看到的PMICs,可提供几十安培的需求),热管理的挑战将驱动更复杂的电源管理功能。

李文辉分析,大概在2014年左右,LTE和TD-LTE将迈入成熟阶段,届时的平板电脑和智能手机等便携消费电子设备的功耗与现在相比会越来越大。“3G平板电脑和智能手机的功耗相较以前的手机已经大很多,当时一个电池的容量大约600-650mAH,现在智能手机的最基本要求就是1200mAH的锂电池。电池的容量虽然扩展一倍,但实际上电话的通话和待机时间并没有增加,反而有所下降。这是因为数据上传和下载对于电量的消耗巨大,以及本身应用处理器的功耗。”他表示,“便携产品处理器已经愈来愈像电脑,双核甚至四核的处理器已经很常见,面对越来越大的功耗和高输出电流,如果继续采用PMIC的话,芯片就会发烫的很厉害。”

飞兆和其他一些供应商采用了分立的方法来解决这个问题,即将一些重点部分单独做成小型的PMIC(亦称为microPMIC),比如LDO、DC-DC等。李文辉表示,这样用特别的制程来优化大电流输出的好处是:第一,能够满足大电流的输出;第二,功耗有明显下降,芯片发烫现象也有明显的改善。据其介绍,飞兆目前针对此应用已经推出了两大产品系列,后续产品也再继续研发中。

不过,采用这种类似分立DC-DC的做法,外围器件增多,电路会变得相对复杂,同时成本也会相应增加。针对记者提出的这些问题,李文辉一一作出了回应。

“当然,分立的做法会使成本有一点点增加,但现在随着制程的改善,模拟器件的精度越来越高,线宽为.5μm到.25μm,乃至.18μm,晶圆部分会有一个cost down。”他表示,由于飞兆拥有自己的生产工厂,可以在制程方面控制减小芯片的大小,积极解决体积和成本等问题。此外,不论智能电脑还是平板电脑,都是拥有强大功能的多核智能设备,产品本身就有较高的成本。“现在的主流电子企业都花很多精力在智能电脑和平板电脑上,电源部分的成本并不是最突出的问题。”

此外,由于技术的改进,外挂DC-DC元件对于电感的依赖也在逐步减小中。“用小巧的0608就可以代替并实现原来稍大的2012的功能。”李文辉补充,以前的DC-DC都需要外挂一些电阻来做回路检查,而现在的方案已经将电阻都整合在芯片里面,无需外挂来增加外围器件。“比如FAV5361和FAN4860,他们的外围器件都只有几个,非常少。”FAN4860是一款5V 300mA TinyBoost稳压器产品,主要应用于智能手机和PMP中,兼具高效率和小外形特性,可为USB OTG和HDMI通信线路供电。该器件的开关频率高达3MHz,允许使用小电容和小电感,在空间受限设计中节省宝贵的线路板空间,并降低材料清单(BOM)成本。FAN4860备有两种封装选项:WL-CSP (0.88 x 1.23mm)和超薄MLP (2 x 2mm),FAN4860使总体解决方案的占位面积仅为2.2 x 3.9mm,目前订购价为0.48美元每千片。


ADI电源管理部门市场工程师张洁萍

ADI也同样推出了一系列DC-DC便携电源产品。该公司电源管理部门市场工程师张洁萍介绍,其具有竞争优势的便携电源产品包括ADP2121和ADP2138。

ADP2121号称业界最小的500mA、6 MHz同步降压式DC-DC转换器,是一款高频、低静态电流、降压式DC-DC转换器,专为对电路板面积和电池寿命有严格要求的便携式应用而优化。ADP2121具有高效率和性能,为系统设计人员提供了高性价比的超小型电源管理解决方案,适合于对电路板空间和电池寿命有严格要求的便携式应用,如超薄智能电话、GPS和摄像机模块、便携式硬盘和媒体播放器。

ADP2138是一款高效、低静电、紧凑型、降压DC-DC转换器。内部的开关允许在PWM模式下运行,从而为噪音敏感型负载提供低峰值的电源供给,或者使得器件能够根据负载电流的变化在不同操作模式之间进行自动切换。ADP2138还提供欠压锁定,能够防止电池过度放电,并且具有软启动性能,能够防止启动电流的冲击,从而提高终端产品的安全性能和使用寿命。

张洁萍介绍,便携应用中,ADI的产品除了在节约PCB面积、降低功耗等方面的考虑外,还提供更高的集成性、方便的接口功能、全面的保护特性,同时根据系统的应用输出多种监控信息等。比如ADP1650为一款白光LED驱动芯片,集成的ADC可以告知LED的Vf及温升。

EXAR亦可提供全系列的可编程和重新配置的DC-DC电源控制器针对移动设备应用,近期新增加了XRP7724。Pete Johnson介绍,这个新产品增加了PFM专利技术到PWM控制器中,是针对移动应用的理想选择。

大电流开关式充电器方案实现快速充电

几乎所有的便携式电子设备都备有电源管理器件为系统提供电源和电池充放电管理,将来此类设备或许会启用越来越多新器件和功能,所有这些新器件和新功能的使用将增加系统的电源消耗,因而如何快速高效的充电及尽可能延长电池寿命也越来越成为系统设计、关键器件特别是电源方案提供者最为关注的重点。

在通过USB端口或AC-DC适配器为单节或双节锂离子(Li-Ion)电池充电时,设计人员往往需要能够提高充电速度并解决线性充电器相关的散热问题的解决方案。锂电池越大,充电时间越长。容量为1800mAH的电池如果用传统方法可能需要四五个小时才能充满,并且芯片本身容易发烫,通常温度高达60多度,给设计工程师带来很大挑战。同时,也会增加PCB的成本,并带来尺寸方面的问题。

充电时间减小,芯片本身不会发烫,这是两个重要的用户体验。李文辉表示,大电流充电方案(应用于平板电脑、智能手机)应该摒弃传统方法,转而使用开关式充电器,这样更加适合锂电池。据悉,现在全球前五大手机公司已经都采用了开关式充电器方案。

飞兆的FAN540X和FAN542X都是相应的解决方案产品。FAN5400是USB兼容锂离子电池开关式充电器,具备USB-OTG功能,能够提供高达94%的效率,有助于加快充电速度并减少热耗散。FAN5400系列备有与开关模式充电器相集成的5V 300mA升压稳压器,并与充电器共用同一个电感,从而减少了外部元件数目。此外,充电器和升压电路的开关频率均为3MHz,最大限度地减小了外部无源元件的体积和成本。目前FAN5400的单价为1.18美元每千个。李文辉介绍,应用此方案后,芯片温度可从原来的65度下降到35度左右,充电时间也会缩减一半。

曾志军也表示,为了能对电池进行快速高效的充电,大电流开关式充电是一种比以往线性充电更好的方式。他同时指出,过去的电源管理方案经常使用多组分立DC-DC和LDO器件构成,有时也可能用到一些仿真或数字的控制器。现在,为了能尽可能的延长电池寿命,许多原来由LDO供电的部分都改由DC-DC以提高相应电源的输出效率。因此,集成上述诸多功能的电源管理芯片也开始在便携式电子设备市场占有越来越重要的位置,其市场增长率也明显快过其它分立电源管理产品。

积极应对电源功效问题带来的挑战

随着便携电子产品朝更轻巧、多功能化方向发展,要求其电源系统越来越高效,结构更紧凑,功率密度越来越高。面对这些挑战,业界工程师多年来一直在寻求各种办法以尽可能地提高效率。但在实际设计中,为了降低功耗,有时候不得不采用更复杂的电路,以至于增加了成本,也影响了系统的尺寸;或者有时候提高了效率,但是影响了系统的EMI性能。


英飞凌高级业务开发工程师曾伟权

英飞凌高级业务开发工程师曾伟权表示,英飞凌采用最出色的芯片技术为向业界提供最低功耗的功率半导体器件,使电源从根本上减小损耗的产生,从而实现事半功倍的设计。英飞凌的解决方案,包括ThinkPAK 8x8的CoolMOSTM、CanPAKTM、S3O8、Powerstage 3x3的OptiMOSTM,从芯片技术的革新到封装散热的优化都是基于目标应用而量身定做,因此可以使设计者在面对新一代便携电子产品的挑战时游刃有余。

据悉,全球知名的便携电子产品,比如平板电脑、智能手机以及电子书等移动终端,都有应用英飞凌的功率半导体器件。除了业界首屈一指的CoolMOSTM,新一代引领能效潮流的25V/30V OptiMOSTM,目前也已经大量应用于便携电子设计中。

如何延长电池的单次使用时间是便携式产品面临的一大挑战,因此具有最大化的转换效率是便携式产品的关键要求之一。ADI电源管理部门市场工程师张洁萍表示,目前便携式移动设备的电源管理系统还存在一些其他技术上的难题,主要体现在:第一,电源管理系统中最根本的问题:如何提高电源效率。第二,平衡效率与尺寸。提高频率可以使用较小的电感,这样可以有效的减少PCB面积。但提高频率的同时,也会降低系统的效率,所以在工作频率和PCB面积间需要找到一个合理的平衡点。第三,RF和音频线路则要求电源管理系统具有更低的噪音和更高的隔离。

张洁萍介绍,ADI产品的优势在于频率高、体积小、效率高、集成性强、噪声低、静态电流低,动态电压可调和灵活的接口。这些优势很好地解决了当今低功耗系统的电源挑战。比如针对便携式电源管理方案,ADI提供的解决方案为白光闪光灯驱动芯片,代表产品为ADP1650;LED并联或串联背光驱动芯片,代表产品有ADP8861、ADP8885;负载开关,可参考ADP19X系列;点负载降压调整器,ADP2147,ADP2138产品;同时,ADI提供的高频PMU,比如ADP2140等产品不仅减少了PCB尺寸,也提升了系统性能。

李文辉则表示,在效率和漏电这两个方面,飞兆相较竞争对手领先很多。比如效率,至少领先其他公司0.2个百分点,而在漏电方面,也相对小很多。当然,这样的做法毫无疑问会增加成本,但由于飞兆有自己的工厂,可以从晶圆、封装等部分开始来控制成本,同时在品质以及供应链管理方面,也存在一定优势。他透露,今年飞兆新成立了一个行动事业部,包括5条产品线,专门针对移动便携产品市场来提供相应方案。截至九月中,今年整个行动事业部的IC出货量(包括手机、平板电脑等不同的行动装置)已经达到了20亿,预计2011年全年出货量将达到25亿。

本土企业出路何在?

半导体领域是一个科技含量较高的领域,对于新厂商的进入有天然的限制。目前,外国企业主导着中国的电源管理市场,前10大厂商都是欧美企业,德州仪器(TI)、美国国家半导体(NS)和飞兆半导体(Fairchild)在整体市场占有率方面处于领先地位。二线厂商主要是东芝、NEC、夏普和富士通等日本厂商。

无锡硅动力微电子副总经理王萃东表示,由于技术方面存在较大差距,目前国内企业的主要市场还是在电源适配器及充电器等中低端部分。该公司的方案主要有应用在手机充电器、LCD电源、DVD电源等各种小家电的电源系统,目前年出货量在50KK左右。

王萃东介绍,硅动力提供的方案功耗较低,带有PFC控制端口,方案外围应用简单简洁,同时成本也较低。技术上有原边反馈和副边反馈的方案,可以满足各种不同的要求。有的电路本身还采用了抖频技术,内置500V的高压启动和比较前沿消隐技术,使产品具有优良的EMI特性,节省了外围的RC网络,降低了系统的成本,并内置有过压、过流、过载及过温等很完善的保护功能。

电源管理IC产品有一定的技术门槛,要做出样品容易,要做好,包括一致性高,生产通线合格率高,而且还要安全,还是很难。不过王萃东表示,“我们硅动力也在积极的投入人力和财力,使技术不断的提升,希望早日开发出满足客户需要的低能耗的绿色、安全、外围应用简单的便携式电源产品,给社会和使用者带来更多的有价值的产品。”

飞思卡尔半导体模拟产品中国区市场经理曾志军认为,尽管开发和生产电源管理芯片技术和工艺比分立的电源管理产品要复杂得多,由于中国市场对于生产电源管理芯片需求差异较大,国内电源管理设计公司或许可以通过为某些国内应用处理器厂家订制的方式进入集成化电源管理芯片市场,但是,长远来看国内这些公司还是要更多地专著于技术方面的积累。

张洁萍也表示,随着国际环保意识的提高和对于绿色消费观念的深入,市场中将会出现越来越多的机遇,其中再生能源也将是一个突破点。这些都是中国本土厂商可以长期发展的方向。而且随着“十二五”的到来,中国更加注重绿色环保发展,并会更多地扶植本土企业,这些都是本土企业发展的利好消息。同时,注重合作也将为本土企业带来更好的发展契机。

关键字:PMU

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2011/1025/article_8132.html
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