迈向高整合/多相式设计 手机/平板电源IC改朝换代

2013-05-02 07:20:26来源: 新电子 关键字:电源IC  高整合  多相式
   移动电源方案大翻新。智能手机和平板功能快速演进,造成系统电源管理与供应面临诸多新的设计挑战,因此电源IC开发商已朝向更高整合度、多相式与大电流等设计方向发展,以满足新一代行动装置对小尺寸、低耗电和高转换效率等要求。

智慧型手机与平板装置(Tablet Device)电源设计产生大变化。随着手机萤幕越做越大,而平板装置尺寸日渐缩小,加上手机和平板装置中央处理器(CPU)和绘图处理器(GPU)效能日益强大,以及美国能源局(DOE)和能源之星(Energy Star)针对手机和平板装置的充电器颁布新的能源法规,因此驱使手机和平板装置及充电器电源的关键元件,如直流对直流(DC-DC)转换器、交流对直流(AC-DC)转换器及脉冲宽度调变(PWM)晶片等电路设计将产生新的变革,以迎合行动装置系统商和新能源规范的要求。  
市场研究机构国际数据资讯(IDC)预估,2013年智慧型手机将占全球手机市场的50.1%,总出货量达九亿一千八百六十万支,并可望首次超过传统功能手机的出货量;另一方面,2013年全球平板装置出货量亦有机会超过传统笔记型电脑,且预计于2013~2016年间,全球平板装置的销售量将爆增至一亿九千零九十万台。  

瞄准未来智慧型手机、平板装置及其所衍生的周边配件商机,安森美半导体(ON Semiconductor)、戴乐格(Dialog)半导体、德州仪器(TI)、恩智浦(NXP)、国际整流器(IR)、擎力科技、立錡科技和意法半导体(ST)等电源IC供应商,纷纷提出更高效能的解决方案,以取代旧有元件,并进一步强化晶片运作效率;同时,也以自有专利重新改变电路设计方式,来满足手机和平板装置系统厂对多元尺寸和功能的需求,以及各国法规对充电器要求的高转换效率,以持续站稳在电源管理晶片的市场地位。  

尺寸/功能日趋多元 手机导入LDO数量激增

事实上,随着智慧型手机的萤幕尺寸及功能日益多元,原始设备制造商(OEM)和原始设计制造商(ODM)为克服功耗的挑战,已开始于手机内建更多DC-DC转换器和低压差线性稳压器(LDO),为电源IC厂商带来首波商机。  


图1    戴乐格亚太区行销总监Ralf Kilguss表示,平板装置加速导入更高效能的绘图处理器,让多相式DC-DC降压转换器的重要性与日俱增。
戴乐格亚太区行销总监Ralf Kilguss(图1)表示,智慧型手机萤幕尺寸与日俱增,使得LED背光功耗增加,加上应用处理器(AP)支援如近距离无线通讯(NFC)、无线区域网路(Wi-Fi)、全球卫星定位系统(GPS)、蓝牙(Bluetooth)、FM收音机(FM-Radio)、光源感测器(Light Sensor),以及手机内建的前、后摄影机,均加速手机电池用量耗尽速度。  

为降低系统和中央处理器(CPU)的功耗,智慧型手机系统商和应用处理器大厂如高通(Qualcomm)和联发科等,积极于手机系统或手机公板中导入更多DC-DC转换器和低压差线性稳压器,以强化行动装置电源管理能力。  

Kilguss指出,DC-DC转换器2年前在手机中的数量约为三至四颗,现今则增至五至六颗;而低压差线性稳压器2年前为五至十颗,现阶段已大幅爆增至二十颗以上,成长速度十分惊人。  

据了解,由于低压差线性稳压器具有自动关断功能,可于智慧型手机待机时,透过预设机制,自动感应并关闭长时间已无使用的功能,以节省耗电量。如此一来,智慧型手机即使功能再多,亦能针对供电情形进行有效管理,因而透过内建更多的低压差线性稳压器,将对延长电池使用时间大有助益。  

Kilguss分析,手机里的低压差线性稳压器数量渐多,在印刷电路板(PCB)排列日益密集,彼此容易产生杂讯而形成干扰;而戴乐格透过专利矽智财(IP)技术和可程式化电源设计,可有效抵抗干扰。  

另一方面,戴乐格所推出的非中央处理器电源管理晶片(PMIC),高度整合低压差线性稳压器、DC-DC转换器、类比数位转换器(ADC)、电池充电器和即时时脉(RTC)等各种功能,并开业界先河加入音讯解码器(Audio Codec)IC,且平均转换效率可较竞争方案提升30%,可望迅速卡位市场商机。  

满足GPU运作 平板DC-DC晶片迈向多相发展

另一方面,随着平板装置的绘图处理器效能日益强大,亦推升更大输入电流的要求,因而带动晶片商竞推多相式(Multi-Phase)DC-DC降压转换器(Buck Converter),以透过提升转换效率,进一步增大平板装置的输入电流。  

Kilguss表示,品牌厂为让平板装置与智慧型手机形成市场区隔,已逐渐在平板装置中导入效能更强大的绘图处理器引擎,如安谋国际(ARM)Mali及Imagination PowerVR绘图处理器,以便增加更多游戏与影音功能。有些平板装所内建的绘图处理器引擎,甚至已较笔电更高阶。  

导入运算能力更强的绘图处理器,固然可为平板装置带来更强大的动态与静态影像显示效能,却也同时加重电源管理的挑战。高效能绘图处理器须仰赖更大的输入电流,以维持正常的运作,然而现今单相式的DC-DC降压转换器,却难以满足此一要求。  

Kilguss分析,2年前平板装置输入电流约为1安培(A),现阶段许多台湾平板品牌厂的产品则已增加至10?15安培,有些平板装置输入电流甚至已达到30安培,这对现今DC-DC降压转换器而言,将是一大挑战。  

因应平板装置内建高效能绘图处理器的趋势,DC-DC降压转换器供应商正积极从现今主流单相式方案转向多相式设计。Kilguss提及,继双相式DC-DC降压转换器于2年前面市后,2013年晶片商已陆续推出四相、六相式产品,此类多相式DC-DC降压转换器,将对提升转换效率大有助益,可望获取原始设计制造商和原始设备制造商的青睐。  

以戴乐格多相式DC-DC降压转换器--DA9210为例,除单一晶片可执行四相式的电路转换,亦可经由合并两颗晶片实现八相式的方案。整合两颗晶片的八相式方案,与六相式单晶片相较,将具有较佳负载暂态响应(Transient Load Response)、更高转换效率,甚至是更小的印刷电路板(PCB)面积。  

Kilguss透露,戴乐格多相式DC-DC降压转换器于2013年4月开始量产,目前已获两至三家平板系统商导入,预计今年下半年,采用该晶片的平板装置即可上市。  

值得注意的是,原本联发科、高通等提供公板平台的应用处理器厂商,已整合所有电源管理晶片于电源管理单元(PMU)里,但随着智慧型手机和平板装置尺寸和功能日新月异,近期已陆续释放出电源管理晶片订单,以满足不同应用装置系统厂的需求,可望为电源管理晶片厂商创造商机。  

加快处理器上市 联发科/高通释出PMIC订单

由于系统开发商对智慧型手机、平板装置电源管理规格的要求不同,联发科和高通近期已开始简化处理器电源管理单元的设计,并分别释出交换式电池充电器和交换式脉冲宽度调变晶片订单,期透过与电源IC供应商合作,加速处理器上市时程。  


图2    安森美大中国区解决方案工程中心总监张道林认为,行动装置制造商对电源规格的要求日趋多元,因此行动处理器的PMU已无法完全满足。
安森美大中国区解决方案工程中心总监张道林(图2)表示,高通参考设计(Qualcomm Reference Design, QRD)和联发科公板平台原本皆已提供高整合电源管理单元,让电源供应商在行动装置电源市场的生存空间日益压缩。不过,由于特殊应用的电源需求与日俱增,电源管理单元亦无法完全统整所有功能,因此行动处理器业者逐渐将电源管理单元的功能简单化,再透过与电源IC开发商合作来满足各种应用所需,同时也可缩短处理器面市速度。  

张道林进一步指出,由于各家平板装置品牌厂对电流量的多寡各有规画,行动处理器厂商难以开发一体适用的解决方案,因此联发科日前已释出MT8389和MT8375两款平板应用处理器的交换式电池充电器订单需求。  

除联发科外,高通MSM8x25Q、MSM8225Q两款针对高阶智慧型手机的处理器平台,最初开发时便未整合绘图处理器电源设计所需的脉冲宽度调变晶片,而透过与电源IC供应商合作,可省去自行研发的时间,有助处理器迅速推出。  

事实上,安森美近期已获联发科MT8389和MT8375交换式电池充电器和高通MSM8x25Q、MSM8225Q交换式脉冲宽度调变晶片订单。  

张道林分析,从智慧型手机发展来看,电源管理晶片供应商可插旗的版图已逐渐缩小,加上交换式脉冲宽度调变晶片技术门槛不高,未来高通是否持续释单仍有待观察。不过,针对平板应用的交换式电池充电器,由于未来将朝向大电流发展,因此仍将以外挂为主,因而除安森美外,德州仪器和快捷(Fairchild)等电源晶片商,也已积极抢食此一商机大饼。 

面板厂Q2释单 7寸小平板PMIC商机看俏
除联发科和高通应用处理器平台释放出电源管理晶片订单外,为解决7?8寸小平板散热不易问题,台湾和韩国面板厂于2013年第二季也释出电源管理晶片订单,吸引安森美、德州仪器、致新、立錡和台湾类比等厂商积极抢攻市场商机。 

张道林表示,7?8寸小平板散热不易问题浮出台面,因此国内、外面板厂正把液晶显示器(LCD)驱动IC系统单晶片(SoC)中,某部分电源管理晶片独立出来,并于今年第二季已与电源管理晶片商达成合作协议,可望藉此更为优化7?8寸小平板的显示器效能。 

事实上,针对7?8寸小平板的应用,全球面板厂原本积极将LCD驱动IC整合为系统单晶片,其中结合液晶显示器正/负电压闸极(Gate)电源、时序控制器(T-Con)、X/Y轴线路(Line)驱动IC、Gamma校正等功能区块,以降低成本并提升系统效能。 

然而,高度整合的7?8寸小平板LCD驱动IC,容易衍生面板温度过高的疑虑,因此全球面板厂为有效提升热管理(Thermal Management)能力,在今年第二季纷纷对台湾和国际电源IC供应商释出液晶显示器正/负电压闸极电源IC订单,有机会一举冲高电源IC业者单季的营收数字。 

张道林指出,电源管理晶片供应商所提供的电源管理晶片,具备充电/短路的保护机制,并拥有较高的电源转换效率;因此,国内面板厂可在自行生产整合时序控制器、X/Y轴线路驱动IC和Gamma校正等功能的特定应用积体电路(ASIC)后,再外挂电源管理晶片业者所供应的液晶显示器正/负电压闸极电源IC,将能有效解决7?8寸小平板的散热问题。 

美国法规趋严 CCM方案将成AC-DC应用主流

除系统内部电源架构有革命性突破外,智慧型手机和平板装置外部配件--电源转换器的电源设计,在各国法规要求日益严格,以及手机和平板共用充电器趋势下,亦将透过设计上的变革来满足行动装置品牌厂对更高转换效率及更大输出电流和功率的需求。 

在美国能源局对高电源转换效率的要求下,现阶段采用非连续导通模式(DCM)设计的电源转换器(Adapter)已逐渐无法符合规定,带动AC-DC转换器电源设计从非连续导通模式转移至连续导通模式(CCM)。 


图3    擎力总经理谭永禾分析,在美国能源局对高电源转换效率的要求下,AC-DC电源转换器将从非连续导通模式转移至连续导通模式。
擎力总经理谭永禾(图3)表示,美国能源局将于2014年起要求一般功耗50瓦(W)以上的电源转换器须达88%转换效率,然而AC-DC转换器若以非连续导通模式将无法符合规定,但透过连续导通模式结合同步整流IC则可达到89%以上转换效率,可帮助原始设计制造商和原始设备制造商实现重量更轻、尺寸更小且功耗更低的电源转换器产品。 

据了解,AC-DC电源转换器在连续导通模式的电源设计,系透过Flyback架构的脉冲宽度调变晶片,再加上金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)和同步整流控制IC来完成,可提升电源供应器2?4%的转换效率。 

谭永禾强调,连续导通模式导入同步整流控制IC,可取代萧特基二极体(Schottky Diode),并省掉散热片的成本,因此价格与非连续导通模式方案差距不大,且能支援5伏特(V)输出的平板装置和12伏特输出的超轻薄笔电(Ultrabook)等电源转换器的设计需求,包括台达电、光宝等电源转换器制造商皆已趋之若鹜。 

事实上,非连续导通模式的AC-DC电源转换器电源设计,若改采QR架构的PWM IC,加上MOSFET和同步整流控制IC,亦可达到89%以上的转换效率。然而,谭永禾认为,连续导通模式方案较非连续导通模式设计更便宜,因此2012年下半年已获许多AC-DC电源转换器系统商导入,可望于2014?2015年成为AC-DC电源转换器主流方案。 

因应美国法规带来的电源设计架构更新,擎力、恩智浦、国际整流器、安森美半导体、MPS和意法半导体等IC设计业者,皆已推出同步整流控制IC,抢分市场杯羹。 

现阶段电源IC业者的同步整流控制IC,主要以零电流侦测(ZCD)技术为主,无法同时在非连续导通模式和连续导通模式中使用。然未来电源转换器连续导通模式的应用,并非百分之百仅用于连续导通模式,系统商可根据需求在连续导通模式部分占90%或其他比例,让电源转换器在轻电流负载时处于非连续导通模式,而重载时则须切换至连续导通模式。 

谭永禾指出,擎力具有同步整流预测式技术(Prediction Technology)专利,可同时支援非连续导通模式和连续导通模式,将成为未来2年该公司打进电源转换器大厂的重要利器。 

除美国能源局的规范外,下一代能源之星(Energy Star)第6版,对智慧型手机和平板装置AC-DC电源转换器效率的要求也日益严苛,将促使AC-DC脉冲宽度调变控制器电源设计方式推陈出新,以满足原始设计制造商和原始设备制造商的需求。 


图4    德州仪器亚洲区类比产品市场开发电源产品资深市场行销工程师周俊宏说明,能源之星E6.0对AC充电器的高转换效率要求,将促使PWM控制器电源设计翻新。
德州仪器亚洲区类比产品市场开发电源产品资深市场行销工程师周俊宏(图4)表示,美国环境保护局规定,显示面板和机上盒(STB)等应用的AC-DC充电器,须于2013年起符合能源之星E6.0规范;而行动装置AC-DC电源转换器则预计2015年生效。 

E6.0规范上路 AC-DC PWM电源设计兴革

新一代能源之星E6.0标准与E5.0相较,5瓦输出功率的智慧型手机充电器转换效率须从68%提升至74%;10瓦输出功率的平板装置充电器的转换效率则须自73%升级至79%,将为AC-DC转换器厂商带来不小挑战。 

事实上,随着智慧型手机和平板装置的锂电池容量增加,AC-DC电源转换器的输出电流亦逐渐增大;从一般手机的5伏特/1安培(A)输出,至2012年索尼(Sony)推出的手机机种已配备5伏特/1.5安培充电器,甚至三星(Samsung)手机充电器已达5伏特/2安培的规格,可满足消费者对更快速充电的需求。 

另一方面,平板装置充电器亦朝大电流输出规格迈进,从5伏特/2安培已提高至5伏特/2.4安培的规格,甚至韩国品牌大厂计划于明年或后年推出配搭5伏特/2.5安培输出充电器的平板装置。 

周俊宏强调,许多手机品牌大厂另对电源转换器提出低空载功耗的需求,因此充电器的空载功耗已从过去的30毫瓦(mW)降至10毫瓦,甚至已有全球市占极高的品牌厂开出5毫瓦的规格,以实现更节能的低功耗充电器电源设计。未来智慧型手机和平板装置充电器在大电流输出、高转换效率和低空载功耗的市场要求之下,AC-DC电源转换器脉冲宽度调变晶片的重要性将倍增。 

据了解,传统5瓦输出功率的AC-DC电源转换器,多以导入双极性接面电晶体(Bipolar Junction Transistor, BJT)为主;现今电源IC厂商皆已采用的金属氧化物半导体场效电晶体来替代双极性接面电晶体,虽然硬体成本贵一倍,但可提升AC-DC电源转换器转换效率至E6.0要求的74%。 

此外,德州仪器等电源IC供应商也提供一次侧回授(PSR)的AC-DC脉冲宽度调变控制器,该方案不仅可符合E6.0规范,亦可满足系统商对低空载功耗的要求,并较二次侧回授(SSR)方案省下光耦合器和电压参考(Voltage Reference)两颗IC,因此零组件成本可减少0.06美元,且体积较二次侧回授方案缩减五分之一,可望受到系统商青睐(图5)。 


图5 可符合E6.0规范和低空载功耗要求的一次侧回授的AC-DC脉冲宽度调变控制器方案。
周俊宏指出,德州仪器具有专利的0.25微米(μm)、700伏特的LBC7HV高压制程技术,除能为新款AC-DC电源转换器脉冲宽度调变控制器--UCC28710降低8?10毫瓦的待机功耗,并导入高压启动功能,可为系统商省去一颗外部高压开关IC的成本和印刷电路板空间。 

因应手机/平板共用趋势 充电器设计大变身

另一个影响AC-DC电源设计的因素,是智慧型手机和平板装置共用充电器的趋势,电源转换器系统厂须在二次侧端放进一颗微控制器(MCU),并从原来的两支接脚增加为三支接脚,且导入动态电压负载(Dynamic Load)功能,可望为电源IC业者带来商机。 


图6    恩智浦高性能混合讯号半导体部门资深产品行销经理张锡亮指出,瞄准手机和平板共用充电器商机,晶片商积极推出符合规格的AC-DC方案。
恩智浦高性能混合讯号半导体部门资深产品行销经理张锡亮(图6)表示,智慧型手机和平板共用充电器的市场需求逐渐兴起,以台湾电源转换器供应商为例,2012年在售后市场(After Market)仅有一、两家在生产,2013年已有超过五家以上的非原厂充电器制造商投入市场;加上全球同时具有手机和平板装置的品牌厂,为巩固用户对品牌的黏着度,未来亦将朝共用充电器的方向发展,将吸引电源IC业者推出相对应方案。 

与过往分开使用充电器的设计相较,针对5伏特输出的手机,以及12伏特平板共用的电源转换器设计,最大的差异点在于,为侦测电压所需而于二次侧电路中增加一颗微控制器;并透过在电源转换器主机板加装第三支接脚,以辨别所插入的装置为5伏特或12伏特输出装置。 

另一方面,由于中央处理器和绘图处理器技术不断向前跃进,且每家晶片商整合的电源管理单元规格皆不相同,手机与平板共用的充电器须提供4.5?6伏特的动态电压负载功能,以防充电器对手机或平板装置快速充放电时发生当机情况。 此外,为与平板装置共用同一个充电器,手机的输出功率亦将从5瓦升级至10瓦,并在脉冲宽度调变的IC电源设计部分,必须以开关电源速度较快的金属氧化物半导体场效电晶体,来代替导通速度快但关断速度较慢的双极性接面电晶体,才能达到能源之星E6.0对10瓦输出平板装置充电器所规定的79%高转换效率。 

张锡亮指出,恩智浦将于今年第四季推出可支援10瓦智慧型手机和平板装置的脉冲宽度调变晶片,并以特殊线路设计降低双极性接面电晶体的开关杂讯(Switching Noise),可同时缩短电源导通和关断时间,因此能在没有加挂同步整流控制IC状况下,达到82%的转换效率,并兼具双极性接面电晶体的低成本优势,可望获取电源转换器系统商的青睐。 

行动装置萤幕尺寸与内建功能越来越多元,不仅带动智慧型手机和平板装置及相关电源转换器的电源设计随之革新,更迫使联发科和高通将部分电源管理晶片功能从电源管理单元中释出,以因应新功能和大萤幕尺寸所带来的电源管理问题。另一方面,随着全球环保意识逐渐高涨,各国法规对充电器的转换效率要求也越来越高,亦可望为电源管理晶片供应商创造更多商机。

关键字:电源IC  高整合  多相式

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2013/0502/article_21594.html
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