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提高电源管理芯片的能效,国内外厂商们都是如何做的?

时间:2020-09-14 作者:关丽 阅读:
ASPENCORE近期在深圳举办的第21届电源管理技术论坛,各大厂商谈论的焦点均围绕高能效解决方案而展开,GaN、SiC仍是最热门的议题。那么怎样提高能效?针对电源的应用与挑战,根据不同的场景,对不同电源方案的测试应注意些什么?此外,全球电源管理芯片市场主要被几家国际巨头公司垄断,国内市场对电源管理芯片的需求80%的市场份额都被欧美厂商垄断。在当前国际大背景下,电源管理芯片的国产替代空间有多大?请看我们本期电源管理技术论坛的精彩回顾。
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电子工程专辑主分析师顾正书在《30家国产电源管理芯片和功率半导体厂商调研分析报告》中提到了电源管理芯片重要性,“随着电池供电设备和社会及市场对节能环保的要求越来越高,电子设备的电源管理趋于精细化和差异化,电源管理芯片已经成为提升整机性能和差异化竞争的关键。”无线通信、消费电子、IoT设备、5G和新能源电动车等热门应用都对电源管理和功率器件有强劲的需求,但对高能效也有更高的要求。


第21届电源管理技术论坛现场

SiC功率器件在大功率电源的应用

在此届的电源管理技术论坛上,ST功率分离器件市场部区域经理吕晓东(Lay LV )在与在场观众分享功率器件在大功率电源中的应用时首先提到了ST的一些关键功率技术,这些技术主要应用于电动车辆(OBC,DC-DC)、电信电源、服务器电源、工业电源及太阳能逆变器。其中涵盖多项SiC技术。


ST功率分离器件市场部区域经理吕晓东


ST一些关键功率技术

意法半导体从1996年开始从事碳化硅技术研发。在半导体市场推出一项新技术,质量高、寿命长,成本有竞争力是基本要求。意法半导体战胜了这种宽带隙材料的量产挑战,于2004年开始生产其首款SiC二极管。2009年,意法半导体的第一款SiC MOSFET投产,此后又增加了1200V的SiC MOSFET和功率肖特基二极管,以完善原来的650V产品组合。意法半导体在SiC产品上有超过20年的经验,为客户带来了SiC Diode/MOSFET/Driver,目前最新的Gen2的650V/1200V SiC MOSFET陆续批产面世。

意法半导体的碳化硅二极管产品系列电压范围从600到1200V,包括单、双二极管。它们有多种封装,从DPAK到TO-247以及绝缘的TO-220AB/AC,为设计者们提供了极大的灵活性,具有高效、稳定和快速投放市场等优势。

以效率著称的GaN技术

“氮化镓(GaN)技术能造就更好的电源,而Power Integrations(PI)的PowiGaN技术,在任何输入电压和负载条件下效率均可高达94%,其极高的可靠性能够保证电源在市电电压不稳的地区使用时耐受输入浪涌和电压浮动的冲击。这样OEM厂商只需一个电源设计即可满足全球通用的要求。新器件到应用范围非常广泛,包括用于移动设备的USB PD和大电流充电器/适配器,以及机顶盒、显示器、网络设备、游戏产品和家电,尤其适合于那些旨在满足计划中的欧洲能效标签指令要求的产品。”PI资深FAE王洪奎(Kevin Wang) 在论坛上向观众们介绍到。


PI资深FAE王洪奎(Kevin Wang)

最新数据,目前PI的GaN芯片出货量已超过800万片,其中采用PowiGaN技术的InnoSwitch 3开关电源IC已超过一百万片,相关方案已被多家客户采用。著名手机厂商OPPO已经有采用PI芯片的GaN充电器,三星,小米后续也会推出采用PI GaN芯片的产品。

采用PowiGaN技术的InnoSwitch 3 IC可实现高达100W的输出功率。InnoSwitch 3 芯片包括针对数字控制的InnoSwitch3-Pro、针对恒功率的InnoSwitch3-CP,还有适合适合敞开式电源的InnoSwitch3-EP,适合显示器的InnoSwitch3-MX以及用于LED照明的LYTSwitch 6五大阵营。

其中,针对变压器应用推出的InnoSwitch3-Pro系列开关电源IC,采用可变频率返驰式架构,支持同步整流、准谐振(QR)与连续/不连续导通(CCM/DCM)运作模式,具备精简化优势,能提供低功率、高可靠性的手机/便携设备变压器设计解决方案。

InnoSwitch3-Pro的设计整合一次侧和二次侧控制,支持以I2C接口数字控制输出电压与电流,已通过安规认证;而该组件能实现精简化电路设计,能达到降低成本的效果。采用该芯片的多项设计也已经成功通过USB PD+PDD的兼容性测试,将为各种便携设备带来更快速、安全的充电解决方案。


PI凭借高集成度和高效率实现紧凑的USB PD和快充设计

如何简化新一代以太网路90W供电设计

Silicon Labs中国区高级现场应用工程师杨琪霞在本次论坛中与现场观众探讨了如何简化新一代以太网路90W供电设计,添加90W PoE到供电端设备(PSE)和受电端设备(PD)时如何降低设计成本和复杂度,涵盖从15W到90W的以太网电缆两端,Silicon Labs为开发人员提供了适用于各种PSE和PD应用的灵活性选择。全新的产品不仅兼容IEEE 802.3bt标准,并将标准PoE功率提高了一倍以上,扩展了无线接入点和IoT无线网关的功能,有助于实现PoE供电的5G小基站和数字化楼宇。 

在介绍其公司POE产品路线图时,着重介绍了已经出样三种新的PSE和PD产品:


POE产品组合路线图


即将上市的PSE和PD新品

·Si3471 PSE控制器是业界首个完全自治的90W单端口、符合802.3bt标准的供电解决方案。Si3471可轻松为单端口中跨或“注入”增加90W的功率。它会自动管理与802.3bt标准相关的所有细微差别。Si3471不需要外部主机MCU、固件下载或软件编程,使用三个数字I/O引脚即可轻松配置。小型38引脚5 mm x 7 mm QFN封装和简单的BOM有助于降低系统设计成本和复杂度。

·Si3474四端口以太网PSE控制器可为最多四个90W 802.3bt PoE端口或八个30W 802.3at/af PoE端口供电,从而为工业和商用以太网交换机和安全记录设备提供了通用解决方案。Si3474支持在每个端口上的全功率自治模式下运行,或在主机模式下运行,这使得开发人员能够通过具有全功能的寄存器映射的I2C接口来管理电源。Si3474采用56引脚8 mm x 8 mm封装,并具有行业标准的引脚排列。

·Si34071单芯片PD解决方案将802.3bt接口与集成的高效DC-DC转换器相结合,能够实现90%以上的端到端效率。Si34071包含一个简单的9600波特率UART接口,用于连接到系统MCU。Si34071可为5G小基站、无线接入点和IoT网关提供高功率。作为Si3471 PSE控制器的最佳伙伴,Si34071采用小型32引脚5 mm x 5 mm QFN封装。

Silicon Labs全新的90W PoE产品组合,主要可应用在IP摄像头、无线接入点、IP电话机、企业和商用交换机、IPBX语音交换机、照明控制系统、和电源接入器方面。

USB-C PD高功率密度电源设计与方案

目前,USB-C接口应用越来越普遍,AC适配器、笔记本、智能手机、耳机、车载充电器、扩音器及扩展坞等周边附件都有广泛的应用。USB-C器件的市场份额从逐步提升,每年至少保持30%的增长率,2021年半导体IC收入将达到30亿美元。而MPS目前在无线和消费电子领域的电源管理取得了关键的设计胜利。

MPS是业内USB charger产品类型最齐全芯片供应商之一,提供单口双口 USB Type-A,USB Type-C,USB Type-C PD等充电方案,其USB charger产品集成度高,单颗芯片支持双路USB充电口,单颗芯片集成功率DC-DC/USB识别/USB限流。


MPS充电管理产品资深FAE丁元伟

MPS充电管理产品资深FAE丁元伟在此届论坛上着重介绍了其公司集成USB-C的三大产品线,AC/DC电源、DC/DC电源及USB-C电池充电器产品。其中包括一款公司即将发布的全新产品——MP2731。

MP2731是一款适用于单节锂离子或锂聚合物电池的 4.5A 高集成开关电池充电管理IC。此款集成 NVDC 系统电源路径管理功能的芯适用于各类应用,比如智能手机、平板电脑、无线及其他便携式设备等。低阻抗电源路径优化了效率,减少了电池充电时间,并延长了电池使用时间。 I2C串行接口可以灵活地控制芯片的充电和系统设置。

MP2731支持不同种类的输入源,包括标准USB主端口和具有快充能力的大功率墙式适配器。MP2731可通过DP/DM引脚提供USB输入类型检测功能。MP2731支持USB OTG功能,能在输入端提供5V电源,输出限流达3A。


集成NVDC电源路径管理、OTG和ADC功能的单节4.5A快速充电器

提升适配器效率创新方案:SP6892

擎力科技股份有限公司是一家功率IC设计公司,于2004/02/01在台北正式成立,以AC-DC的电源管理IC为主。

擎力整合现有QR(准谐振)及SR(同步整流)技术,推出QSR自有专利技术。Sync大中华区应用工程部经理王骏嘉 (Sam Wang)介绍道,准谐振+同步整流整合型芯片(QSR IC)具有如下特点:

·可搭配各种SR MOS,无需调整匹配
·内部自行控制驱动信号、 反应快速安全
·不再有各种应用情况下交越问题
·没有Layout干扰、吸收电路调整问题
·标准封装、好布线、低成本
·输出电压不受同步芯片检测耐压限制

SP6892单芯片是应用于150W以内电源适配器,AC-DC经过QSR IC控制一次侧的高压MOSFET,进行开关电源转换,同时经由内部逻辑信号及脉冲变压器(pulse transformer) 即刻给出驱动信号控制二次侧SR MOSFET开关动作进行整流,以下为SP6892基本的应用电路图。


SP6892基本的应用电路图

如何针对对不同电源方案进行更好的测试?

物联网设备、5G通信、新能源汽车及医疗检测设备对电源在低功耗、动态响应、 高可靠性、转换效率、更小体积、高功率及电磁兼容等有着不同程度的要求,为应对以上需求,普源精电科技股份有限公司(RIGOL)提供不同的电源测试方案,包括,电源质量测试、电源环路分析、双脉冲测试、小电流测是、动态可靠性测试和EMI测试。


RIGOL电源测试方案

RIGOL技术支持工程师武立春现场介绍道,为了评估IGBT功率器件的性能是否满足需求,通常采用双脉冲法进行动态参数分析。 对脉冲导通(第二个脉冲)进行以下参数分析:

(1)负载Vce电压是否正确变化;
(2)二极管的反向恢复电流的di/dt;
(3)二极管的反向恢复电流的峰值;
(4)反向恢复后电流是否有震荡,拖尾有多长;
(5)开关损耗。


RIGOL双脉冲测试

而对开关电源的稳定性判断依据大致如下:

˙穿越频点 :建议为开关频率的 5% 到20% ;
˙相位裕度 :作用是确保在一定的条件下(包括元器误差、输入电压变化负载温升等) 系统都能够稳定 。如果输入电压、负载温度变化范围非常大 , 相位裕量不应小于30 °。相位裕量应 保持在一定范围内,太小或大都会影响系统对扰动的调节能力 ,建议是45°到80°为合适范围 ;
˙增益裕度 : 相位裕量的 增益裕量为了不接近稳定点 ,一般认为10dB以上是必要的 (注意, GM 是正值,实际测量的增益为负裕度 =0db 0db-测量值)
˙穿越斜率 (0dB附近):要求为单极点穿越,一般是斜率在-1左右,即-20db/每十倍频


开关环路测试伯德图

那么如何对开关电源环路进行控制分析呢?

1、注入一个交流误差信号到控制环路的反馈路径中。把一个较小的5Ω电阻器串联到反馈环路中,才
能注入一个误差信号。这个5 Ω注入电阻与R1和R2串联阻抗相比是微不足的。
2、使用一个注入变压器(例如Picotest J2101A)来隔离这个交流干扰信号,从而不产生任何的直流偏置。
3、设置测试的频率范围和信号输出幅度;
4、开始测试,得出测试Bode图。

国产替代,打造电源管理的中国芯

根据Semiconductor统计, 2015年-2018年全球电源管理芯片市场从191亿美元发展到了250亿美元,到2026年全球电源管理芯片市场规模预计达到565亿美元;而根据前瞻产业研究院数据,中国电源管理芯片市场规模由2012年的430.68亿元增长至 2018年的681.53亿元,2020年预计达到781亿元。

受益于中国国内5G大力发展、消费电子需求强劲以及工业信息化等因素,下游终端设备对电源管理芯片需求将保持高速增长,但国内此部分市场80%份额被欧美厂商垄断,所以未来电源管理芯片国产替代空间非常大。虽然模拟芯片仍然是欧美企业的天下,但目前整个电源管理芯片设计产业呈现出由美国、欧洲、日本向中国转移的趋势,中国的电源管理芯片设计产业正处于上升期。——“电源IC黄金赛道,本土配置渐入佳境”大瞬科技商务发展总裁毛洁萍女士在会上一句话总结道。


大瞬科技大瞬半导体科技/商务发展副总裁毛洁萍女士

大瞬科技非常看好电源管理芯片市场前景,因此致力于为国产厂商提供更多本土化的模拟电源管理芯片产品 ,全力支持国产替代,打造中国芯。

毛洁萍女士在会上着重介绍了其公司应用于笔记本电脑系统端的CPU DC/DC、Charger IC的电源管理芯片组合。

应用于Intel CPU DC/DC大瞬科技电源管理芯片路线图

当前国产CPU在电压管理上的状态  多采用单一且固定电压输出的形式,如龙芯、兆芯、飞腾、鲲鹏、海光、申威等大厂的CPU电源管理,他们对于省电要求远不及Intel & AMD。国产CPU在控制静态电压输出还做得不够,电压没有伴随CPU功耗的反应,整体功耗较大。国产CPU对充电芯片要求   应用上让处于纯粹锂电池的充电;对于Hybrid功能应用,仍处于起步阶段。而大瞬科技的电源管理芯片SD7883和SD7885可提供定制化简单功能。

SD7883的应用电路图

SD7885的应用电路图

毛洁萍女士在会议的圆桌论坛也再次表示,国产功率半导体替代的空间很大。如何配合好国产CPU厂商,是他们未来考虑的重点。

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关丽
电子工程专辑(EETimes China)资深产业研究员。
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