节能需求拓展电源管理应用 本土企业寻求竞争良策

近几年来，电源管理一直是半导体领域热点产品之一，其增长速度也高于半导体整体市场发展速度。据市场调研公司Databeans预计，到2012年全球电源管理市场总值将达到324亿美元，占整个半导体市场的7%。电源管理芯片究竟有哪些热门的应用领域？器件集成度的提高对电源管理芯片有何影响？数字技术在电源管理领域的应用前景如何？本土企业将采取什么策略以缩短与国外企业的差距？本报邀请了知名企业人士就相关问题进行探讨。

    主持人 冯晓伟

    特约嘉宾

    王瑞兴 飞兆半导体公司技术及应用支持中心亚太区副总裁

    陈国伟 飞思卡尔半导体亚太区模拟产品市场推广经理

    Tony Armstrong 凌力尔特公司电源产品部产品市场经理

    吴志民 美国国家半导体亚太区电源管理产品市场营销经理

    蒋家亮 安森美半导体亚太区电源管理部市场推广经理

    刘毓梅 成都国腾微电子有限公司市场部主管

    张 翌 上海岭芯微电子有限公司CEO

    吴建兴 杭州士兰微电子股份有限公司研究所副所长

    裴石燕 北京思旺电子技术有限公司总裁

    电源管理芯片热门应用领域

    ●节能是电源管理的首要任务

    ●便携式及汽车电子应用受业界瞩目

    王瑞兴电源管理芯片的热门应用是照明、电机和电源，并通过提高半导体产品的效率来减少能源消耗。改用荧光灯来替代白炽灯泡，能够节省75%的能量。飞兆半导体等半导体供应商提供FAN7710等集成式镇流器IC，能够简化这些新设计、减少元件数，并降低开关损耗及提升调光能力。从单相AC电机转向可变速电机，能够提高40%的效率。根据美国能源部(DOE)资料，在普通家庭中，电机耗电大约占所有电能的20%，这种高能耗正在加速市场向基于变频技术的电机转移。

    最新一代飞兆功率开关(FPS)是许多离线式电源应用所必不可少的。这些器件能够满足低待机功耗的需求、简化设计、降低EMI和成本。FPS器件可将开关损耗降至1W以下，从而满足政府和机构的法规要求。

    陈国伟 毫无疑问，PMIC会在像手机、DSC或PND这样的消费类产品中得到广泛应用。但有些情况下，与ASSP或PMIC结合的分立器件也在一些更低端的最终产品中加以应用。

    随着用户对当今智能移动设备的需求日益增长，人们期待在3G电话、移动游戏设备和便携式播放器等产品中拥有更多功能强大的音频和多媒体功能。试想利用一个小小的单芯片设备，设计人员便可以优化系统电源，以高度整合的电源、音频和用户界面而获得超凡的多媒体功能。并且，这一集成的芯片能够符合多种标准，在GSM、GPRS、EDGE和UMTS中的应用不受限制，亦可用于CDMA手机，以及由电池供电的PDA、数码相机、玩具和遥控设备。现在，这些理想的集成度和灵活性都可以通过飞思卡尔半导体推出的集成度最高的电源管理和用户界面(PMUI)芯片而实现。

    Tony Armstrong 目前，大多数工业化国家都认识到了节能的必要性。其原因基于这样的现实情况，即：随着这些国家人口数量的增加，那些配备供暖/冷却系统以及照明和电器的新型家居的能量需求也在日益攀升。建造新的发电厂肯定需要投入大量的资金，但这并不是全部，把生产出来的电力立即输送给用户也是一项耗资巨大的工作。人们已经注意到，如果能够把大多数电器目前的能耗削减15%～20%，那么将比建设新的电厂更加经济划算。

    由于建设新的发电厂成本十分高昂，因此，很多国家采取了一项所谓的“绿色政策”，以此来鼓励制造商在其最终产品中运用节能技术。对于准备在节能型DC/DC转换器中使用的电源管理IC而言，它必须具备两个重要特性。首先，它必须拥有非常高的转换效率。其次，无论是在待机模式还是在停机模式中，它都必须具有低静态电流。

    吴志民在未来几年个人便携式设备、通讯、医疗、工业控制，汽车电子及固态照明等都将是快速发展的领域。在社会对环境和能源越来越关注的今天，高的性能功耗比，或者说高能效，将是一个共同的技术发展方向。以电源转换为例，要实现高能效，从系统观点综合考虑的节能技术是保证这一目标实现的必要工具。例如低压操作、同步整流、自适应电压/频率调节等等，都是被广泛接受的技术。

    刘毓梅 电源管理芯片的市场必然依托于目前蓬勃发展的整机行业的发展，所以热门的应用仍然集中在消费电子、通讯设备及计算机方面。其中消费电子以其产品发展速度、更新速度快的特点，对于电源芯片的需求最强。消费电子领域对于电源芯片的要求必然是成本更低、功耗更低、体积更小、效率更高。要实现这些需求，除了对设计厂家提出了更高的要求，也对我们的工艺厂家提出了要求，需要整个半导体行业进行技术提升。

    吴建兴随着中国汽车产量的扩大、汽车电源管理芯片产品的不断升级以及应用比重不断增加。未来5年中国汽车电子类电源管理芯片市场将是发展最快的领域之一。其次，网络通信领域电源管理芯片市场在3G、IPTV和各种网络应用的带动下未来5年复合增长率也将超过25%。不过随着下游整机制造业的饱和，中国消费电子类电源管理芯片市场增长率将低于其他各个领域，但是数码消费产品由于其产量依然保持较快的增长速度及其更新换代的周期较短，这部分电源管理芯片市场将依然保持快速的发展势头。

    总体来看，未来几年中国电源管理芯片市场的发展速度将逐渐变慢，中低端产品将会进一步降价，PMU的应用将会增加，而数字电源的推广估计还有几年的路需要走。将来中国各领域电源管理芯片将依然保持增长，虽然汽车电子领域的发展速度最快，但市场最大的推动力则来自通信领域。

    另外，LED与动力锂电池产业的发展将促使相关的电源管理产品得到发展，如高亮LED驱动、锂电池的电能计量及平衡管理等。

    裴石燕便携式应用是一个正在高速成长的市场，它仍将是电源管理芯片的主要驱动力。我注意到越来越多的基于开关式(PWM)电源管理的设计被应用于产品中，以降低产品能耗及延长电池寿命。尽管这类系统设计会变得更复杂，但掌握这些设计技术的工程师也越来越多，工程师们将把这些技术应用于电路设计中，以期实现其产品的差异化。

    另一个快速增长的市场是与LED相关的应用。由于LED将电能转换为光能的效率非常高，因此在节能领域的地位就显得十分重要。当LED尺寸进一步扩大，比如增大到7英寸或11英寸，LED驱动电路就需要更高的电压，比如36V。目前一些代工厂利用混合信号工艺，已经能生产电压高达40V的驱动电路。可见，要提供市场所需的电源管理芯片，需要设计公司和代工厂的协同努力。

    SoC集成度提高对电源管理芯片的影响

    ●生产工艺选择不容忽视

    ●高度集成将牺牲灵活性

    陈国伟集成度对电源管理芯片的影响取决于它所针对的市场和应用领域。例如，对于消费产品来说，便携式器件和非便携式器件的侧重点和趋势可能会各有不同。如果我们谈到便携式产品，我们就会期望很多IC制造商最好把所有东西都集成到一颗芯片中，以涵盖尽可能多的应用。然而，要真正谈到发展趋势和未来方向，我们不但必须了解应用市场的发展和演进，而且还要了解底层技术。

    Tony Armstrong 的确，有很多SoC产品实现了某种程度的片内电源管理。然而，由于在此类产品制造过程中所使用的晶圆生产工艺的原因，人们只考虑了哪种工艺最适合于芯片的LSI数字部分，哪种工艺又是同一块芯片的模拟部分的最佳选择，却忽视了这两者之间的联系。这些工艺往往是相互排斥的。因此，对于最终系统的要求而言，SoC产品所拥有的电源管理功能在性能上常常显得差强人意。这就是“真正的”模拟电源管理IC凭借其超群的性能和功能而成为人们追逐对象的原因所在。

    所以，尽管SoC产品的模拟功能水平无疑将会逐步提高，但其对高性能模拟电源管理IC需求量的影响将是微乎其微的。

    吴志民从生产工艺的角度讲，SoC不是最适合发挥模拟电源性能的平台。为了将不同制造工艺的器件放在单个芯片上工作，针对数字模块的优化将会以模拟部分的性能为代价，包括单元特性的不匹配，线性工作区的缩小等等。当然，在对简单性的要求高于其他设计目标(例如效率，灵活性等等)时，与处理器集成在一起的电源会是一种选择。而在以性能功耗比成为主要设计追求的今天，面向处理器设计的各种电源管理单元或转换器的市场需求正在持续增长。这些针对应用而优化的专门的电源管理器件可以使处理器性能最大化的前提下将系统功耗大幅降低。我认为这将会是今后较长时间的一个趋势。

    蒋家亮 为了简化系统架构、提高终端产品的竞争力(尺寸更小、方案成本更低等)，以及随着电源管理器件小型化技术的就绪，这种趋势对半导体而言是极佳的潜在商机。

    这种集成也取决于电源管理的什么部分能够被集成，而并非所有的半导体应用和电源功能都能被放在一起，否则彼此之间可能会产生一些干扰。因此，仍然存在着一些局部的电源管理集成，而非将所有功能都集成到单个器件之中。并且要考量一些问题：大多数的应用既有数字(如媒体处理器、编码等)的部分，也有模拟(如音频、视频信号等)的部分。数字和模拟的接地应当分隔开来。例如，如果媒体处理器需要稳定的电源，且它与一些音视频或射频信号输入输出共用接地，那么无论是模拟或是数字部分都可能需要区隔开来，而且每个回路都需要单独的电源管理。基于这个考虑，电源管理单独芯片市场仍然存在，而且很可能会与数字应用中的电源管理并行发展。

    吴建兴首先，集成是趋势，例如目前许多手机系统厂商采用的就是单芯片方案。但是同时我们也看到，用户对未来的手机以及便携式设备的功能要求越来越高，如3D游戏、视频、高像素摄像头等，这些新功能需要配合专用的电源芯片来实现。另外高度集成势必在设计的灵活性、上市时间、加工工艺、封装成本等方面受到限制，这也是分立的电源管理芯片存在的根本原因。

    从产品类型来看，未来的电源管理芯片市场，PMU所占的份额将会大副提高，尤其在便携设备中，PMU的发展将会更加快速。与LDO和DC/DC这些单一功能产品不同，PMU同时集成多个LDO、DC/DC和充电管理等功能，在应用中相当于一个ASSP。虽然不能完全解决某类设备的电源管理需求，但是能够满足一些相对通用的电源管理需求。

    由于手机基带、应用处理器都有与之配套的PMU方案，士兰微将更多关注PMU在便携式市场的机会。例如最新推出的一款应用于便携式媒体播放器等系统的高性能集成电源管理芯片SB49142，内部集成了AC适配器/USB双源锂电池线性充电器、可动态配置输出电压的两路高效降压型DC-DC转换器、一路低压差线性稳压器、电池监测、I2C通讯接口等，所需外围器件非常少，精简设计布局，帮助系统设计人员缩短了开发时间及成本。

    数字电源管理芯片发展前景

    ●在应用领域与模拟芯片互补

    ●高成本是扩大应用的拦路虎

    王瑞兴近年来，业界一直在争论模拟功率控制和数字功率控制的优点对比。功率领域的新兴技术将不会单纯地划分为模拟式或数字式，而是包括二者的最优结合，是两种技术的相辅相成。无论人们对于模拟或数字控制的看法如何，在许多设计人员可能考虑使用模拟IC的领域中，预计将会出现更多的数字电路。从OEM厂商的角度来看，在更宽泛的负载范围实现更高的效率，是电源设计人员面临的最大问题之一。为了应对未来的效率挑战，采用混合控制模式硅技术的半导体产品将是必不可少的。

    陈国伟很显然，我们现在看到的很多产品都是基于数字处理的。例如，像传统相机这样的产品，或者像音频功率放大器(AB级)这样的器件正逐渐被它们相应的数字替代品所取代。尽管如此，模拟电源仍有其自己的市场，因为大多数最终产品仍脱离不了环境，且很多功能和特性会陆续添加到最终产品，从而形成一个模拟电源主导的市场。不仅如此，您的数字电话、相机或TV系统中的PMU仍是模拟的。对于那些拥有数字电源的系统产品来说，其大部分电路仅参考驱动机制，仍需要诸如后端或前置驱动器和ADC这样的其他模拟块。

    采用数字PWM控制方法的稳压器其主要部分仍然是模拟的！不管是数字方法还是模拟方法，它们都需要一个电压基准、偏置电路、一个振荡器、FET驱动器、功率FET、保护电路等等。两者的不同之处是，在数字方法中，模拟误差放大器被一个模数转换器(ADC)和一个数字处理器(负责生成用于驱动功率级的PWM信号)所取代。这种复杂性的增加导致必须使用一种细线宽半导体工艺，而该工艺造价相对昂贵，且通常并没有专为实现全部所需模拟电路的最佳性能而优化。此外，这些电路常常需要消耗巨大的电流，会降低效率，并具有带宽和/或分辨率方面的局限性。因此，如今的数字解决方案的性能是无法与先进的模拟解决方案相提并论的。

    吴志民数字控制技术被应用到电源转换领域的动力是其极高的控制灵活性和可以实现更丰富的管理功能。NS在数字电源方面也已经做了大量研究和开发，已有产品面世，例如我们的PowerWise能量管理单元(EMU)LP555X系列。

    数字电源和模拟电源的关系与其说是竞争，不如说是互补更为贴切。数字电源和模拟电源在将来会在不同的应用场合发挥各自的优势。数字电源经过市场验证其可靠性、设计的方便性之后，会在对系统监控和智能控制要求较高的领域得到广泛应用。而模拟电源以其简单、高效、高可靠性以及广泛的应用群体和成熟的技术支持，将在中低复杂性的系统中继续增长。

    蒋家亮 毋庸置疑，数字电源为系统和板上IC功能性提供一定的灵活性。举例来说，有的公司提供一种在IC内部含有可编程能力的设计，然后这种设计可用于不同的应用组合。另一种应用是提供全套的系统和常规维护解决方案，用于极高功率的电源转换。所以大多数数字电源仍然只适合于细分的利基应用，因为相应的应用解决方案成本仍然很高。对于某些低功率应用而言，由于数字方面本身可能包含存储器、处理器、时钟等，如果方案要求实现复杂的功能，那么对存储器容量和处理速度的要求就更高，这就导致数字解决方案本身的成本更高。

    裴石燕基于电源管理电路的DSP器件在七八年前就已问世，其优势首先在于具有较高的效率和精确度，其次是在某种程度上可以进行标准化的设计，其内部单元可以多次重复使用。但是，为实现合理的芯片尺寸，就必须采用0.25微米或精度更高的加工工艺，并且选择较高的电压，这就提高了产品的成本。

    我认为数字电源产品可以在高端的电源管理市场占有一席之地，但要与传统的中、低端电源管理产品相竞争，就必须解决高成本问题。然而要想在短期之内大幅度降低成本似乎并不容易。

    本土电源管理芯片企业

    发展策略

    ●定义产品的能力有待提升

    ●突出产品特点、完善管理体系

    刘毓梅本地IC公司的优势在于具备一定的技术实力，对于开发一些通用性的产品，不存在技术难度，而且供货和服务都会比国外企业便利。本土企业的劣势在于，虽然中国的IC设计公司其实在设计能力上，并不比国外的公司弱多少，但是产品的竞争力与国外公司的产品相比，却弱很多，总结原因，其实与国内半导体行业的发展还不够健全有关。IC技术的发展其实就是整个半导体行业的发展，国内的流片工艺、检测手段都相对比较落后，自然制约了IC产品的技术提升。

    本土企业想要提高自身的竞争力，还有许多需要改进的地方，最重要的是如何提升产品质量。整机设计工程师之所以一直对选用国产IC心存疑虑，主要原因就是担心产品质量，所以本土IC供应商应加强质量保证措施。除了提高质量意识以外，国内企业的创新意识也有待提高，目前大多数产品都比照国外比较成熟的产品来开发，主要靠价格优势赢得市场。这当然与国内该行业起步晚有关，但随着产业链的健全，国内企业应该多考虑如何以创新和前瞻性优势来提高产品竞争力了，否则国内产业将永远处于低端产品的恶性循环，很难突破。

    张 翌在电源管理领域，与国外著名公司相比，中国企业最大的优势是接近市场，颇具讽刺意味的是，本土企业最大的劣势正是无法掌握市场的趋势。国内大多数从事电源管理芯片设计的公司都没有自己定义芯片的能力，而业内优秀的公司都能引领市场发展的方向。电源管理的魅力正是在其不断变化的市场及其多样性。如何在纷乱的市场环境中看到主流趋势需要多年市场的磨炼、扎实的应用基础、宽广的人脉和对工艺、封装、成本的深刻理解。现在的本土企业多由设计人员创立，而欧美的产品线几乎都由市场或极其熟悉应用的设计人员领军。由于这方面的华人在欧美公司也是凤毛麟角，本土企业还需加强这方面人员的培养。

    吴建兴本土企业首先应当明确和建立企业的核心竞争力，包括高性价比、市场网络、产品品质、开发速度、售后服务等各个方面；其次，应该采取与品牌整机的联合开发的策略；再次，还应该集中优势，各个击破，并重视专利技术的申请。

    裴石燕中国内地的电源管理芯片设计公司的特点是历史短、规模小，但它们的发展速度都很快，因而显得生机勃勃。大多数内地设计公司都具备在短时间内开发出新产品的能力，当然，就产品的功能而言还相对比较简单。并且，多数初创的规模较小的公司目前还不具备完善的质量管理体系。在这些初创公司走向成熟的过程中，应该建立严格的管理体系，用于进行质量控制和进度控制。这也是那些国际大公司如飞兆、安森美和国家半导体等得以持续维持高利润的重要原因之一。客户之所以会选择这些大公司，就是因为他们认识到这些公司在产品质量和交货期方面的优势。