【導讀】未來半導體在電源管理的應用與創新主要在工業物聯網、網絡通信、汽車電子、可穿戴設備/便攜式醫療設備等方面。本文采訪眾多企業，分享其在電源IC領域發展趨勢及解決方案。
2014年，中國集成電路市場規模首次突破萬億大關，達到了創紀錄的10393.1億元，同比增長13.4%，如圖1所示。與此同時，2014年，中國中國電源管理芯片市場實現銷售額532.8億元，市場規模實現12.1%的大幅增長，如圖2所示。
賽迪顧問韓曉敏表示：未來半導體在電源管理的應用與創新主要在工業物聯網、網絡通信、汽車電子和可穿戴設備/便攜式醫療設備等方面。
工業物聯網：十三五期間，伴隨著中國工業升級的需求釋放以及工業4.0戰略的實施，工業物聯網將成為中國集成電路產業發展的一個重點領域。屆時，從前端的傳感器到中后端的無線互聯、嵌入式處理器、智能電源管理等集成電路產品都將獲得巨大的市場機會。在工業領域，相比較與消費電子產品的小型化集成化和低功耗趨勢，電源管理IC產品更加注重安全性與穩定性。
網絡通信：以通信基站、數據中心等為代表的網絡通信市場在十三五期間仍將是電源管理IC重要的細分市場。中國4G LET網絡已經全面鋪開建設，未來將會進一步升級到5G。隨著云計算和大數據技術的不斷推進，十三五期間各種相關服務提供商對數據中心的建設將會是電源管理市場的重點之一。此外，小型基站設備將會是網絡通信市場的熱點之一，低功耗和高度智能化的電源管理IC將會是其中最主要的模塊之一。
汽車電子：中國的汽車工業發展迅速，汽車產品的升級換代加速，帶動汽車電子產品中的電源管理IC增長。尤其是新能源汽車的發展，電源管理IC將成為影響其普及程度的關鍵因素。高度集成的電源管理模塊將實現更低的系統成本、更高的可靠性以及更低的系統復雜性。
可穿戴設備/便攜式醫療設備：隨著智能手機的普及，移動終端在下一階段的方向將更進一步向小型化便攜化和專業功能化發展，目前的智能手環、智能手表就是代表之一。電源管理IC將進一步在低功耗技術上取得進展。無論是采取新的制造工藝還是采取更加優化的設計策略，更低的功耗仍將是電源管理IC在消費電子類產品上最為重要的指標。同時，隨著大健康產業的蓬勃發展，作為集成電路產品在醫療行業最集中的體現，便攜式醫療電子設備市場也將進入高速發展期。在傳統便攜式醫療電子之外，醫療電子與便攜式電子設備的結合也將成為行業的熱點。同樣，電源管理IC在該細分市場的應用仍將以低功耗方向為主。
凌力爾特：能量收集
在我們的周圍存在著許許多多的環境能量，實現能量收集或節能的傳統方法一直是借助太陽能電池板和風力發電機。不過，新的收集工具允許我們利用各種各樣的環境能量源來產生電能。例如：熱電發生器可將熱量轉換為電力、壓電元件可轉換機械振動、光伏元件用于轉換陽光 (或任何光子源)、而流電元件 (galvanism) 則可從濕氣實現能量轉換。這就有可能給遠程傳感器供電，或者對電能存儲器件 (例如：電容器或薄膜電池) 進行充電，以便微處理器或發送器能夠無需本地電源而接受遠程供電。
然而，正是在功率譜的 “低” 端 (這里，WSN、IoT 和傳感器中的毫微功率轉換變得越來越普遍) 才需要那種可以使用非常低的功率和電流的電源轉換 IC。這些常常分別是幾十微瓦 (μW) 功率和幾十納安 (nA) 電流。不過，此類工作電流低于 1μA 的電源轉換產品 (包括電池充電器) 的供貨源卻是極其有限的。
一般地說，要想被上述這些應用所接納和采用，電源轉換 IC 必需具備的性能特征包括：
- 低待機靜態電流 —— 通常小于 6μA，并可低至 450nA
- 低啟動電壓 —— 可低至 20mV
- 高輸入電壓能力 —— 高達 34V (連續) 和 40V (瞬態)
- 能夠處理 AC 輸入
當然，由環境收集源所提供的收集能量取決于電源工作多久。因此，比較能量收集電源的主要衡量標準是功率密度，而不是能量密度。能量收集系統的可用功率一般很低、隨時變化且不可預測，因而通常采用了一種與能量收集器和一個輔助電能儲存器相連的混合結構。收集器 (由于能量供給不受限制和功率不足) 是系統的能量源。輔助電能儲存器 (一個電池或一個電容器) 可產生較高的輸出功率，但儲存的能量較少，它在需要的時候供電，其他情況下則定期接收來自收集器的電荷。所以，在沒有可供收集功率的環境能量時，必須采用輔助電能儲存器給 WSN、IoT 設備或傳感器供電。當然，從系統設計人員的角度來看，這進一步增加了復雜性，因為他們現在不得不考慮：必須在輔助電能儲存器中儲存多少能量，才能補償環境能量源的不足。
LTC3388-1/-3 是一款能接受 20V 輸入的同步降壓型轉換器，其可提供高達 50mA 的連續輸出電流，采用 3mm x 3mm (或 MSOP10-E) 封裝，見圖 4。該器件在 2.7V 至 20V 的輸入電壓范圍內工作，因而非常適用于多種能量收集和電池供電型應用，包括 “保持運作” 的傳感器和工業控制電源。
Dialog：尺寸小、功耗低和集成度高的解決方案
物聯網包含許多產品、技術和應用。但就設備數量而言，物聯網市場的最大細分市場包含由微型電池或能量收集系統供電的小型便捷式或可穿戴電子設備。這些設備中有許多都會收集傳感器數據，這些數據經處理后通過接入節點或網關發送至互聯網，作為該數據鏈的第一個環節，需要使用一種或多種無線協議。
對于哪些無線協議有可能在物聯網世界占據主導地位方面，存在許多爭論。但是，大多數行業觀察家認為Bluetooth® Smart(智能藍牙)將是許多應用下的協議之選，尤其是對消費性產品，因為這種情況下許多互聯網連接是通過智能手機網關進行的。智能手機、機頂盒、電視和許多其他消費性電子產品已經包含藍牙無線電收發器，Bluetooth Smart與Wi-Fi相比不僅功耗低，而且更安全。據分析公司IHS預測，到2015年底，每個移動平臺都將預裝Bluetooth Smart Ready功能。
半導體創新的焦點集中于降低傳感器、處理器和無線電收發器的能耗，同時維持足夠的處理能力和無線電性能，以滿足執行任務的要求。功能集成是實現功耗最小化的重要策略之一。如果藍牙無線電收發器中的基帶處理器有充足的資源來同時運行應用程序，就不僅能夠最大限度減小解決方案的尺寸，還能同時降低其成本和能耗。當然，集成必須與有效的電源管理結伴而行。執行每項具體任務的片上資源必須在需要時得到充足的電力。甚至有可能按照任務需要的性能對處理器進行‘調優’，動態控制其時鐘速度，進而控制其性能。
Dialog 半導體公司低能耗連接和VoIP市場總監Mark Murphy：Dialog Semiconductor設計和制造SmartBond™系統芯片 (SoC)。這些芯片是全球尺寸最小、功耗最低的Bluetooth Smart解決方案，其中每個芯片都集成了藍牙低能耗無線電收發器和ARM® Cortex®-M0應用處理器以及智能電源管理。這些器件的尺寸(2.5 mm x 2.5 mm，WLCSP封裝)和功耗只有最接近競爭產品的一半，并且只需要五個外部元件就能構成完整的托管式 (hosted) Bluetooth Smart解決方案。對ARM®處理器的訪問可通過32個GPIO進行。功耗要求如此之低，以致某公司甚至為糖尿病患者開發了一種智能筆式注射器，筆帽的卸下和重新安放就能產生足夠的能源來讓SmartBondSoC捕獲胰島素的精確注射劑量，并將該數據發送至一個智能手機應用程序。
ams：傳感器主導的超低功率系統將會脫穎而出
許多技術無論是從宏觀還是微觀上都將不斷取得飛速發展，包括更智能的電源管理IC和HVAC系統，都將取得突破性進展，擁有巨大影響力的智能能源技術將變得越來越重要。由傳感器主導的超低功率系統解決方案將是企業在競爭中脫穎而出的關鍵。
環境光傳感、接近感知及手勢傳感技術將深入應用于三大領域：針對智能手機和物聯網連接設備的消費市場;車載娛樂及導航發展日益成熟的汽車市場;成像技術及傳感器集成快速發展的醫療/工業市場。ams發現各類低功率可見光傳感器正得到越來越多地應用，未來傳感器也會擴展到光譜其他領域，尤其是紅外線光。
此外，由超小型低功率主動放大技術和天線自動調諧技術實現的非接觸式支付，能夠帶來安全和可靠的NFC支付，適用于任何手機的票務，以及可穿戴產品等一系列廣泛的高度集成設備，引領又一次偉大的創新。
ams(艾邁斯)中國區總經理張建臣：ams廣泛的先進傳感器解決方案是解決一系列設計挑戰的理想選擇，可應用于智能手機、最先進的醫療及工業設備、智能家居和汽車、非接觸式支付、健康與保健等諸多領域，這些都將在高附加值的新興物聯網市場中起到至關重要的作用。面對物聯網應用市場的未來發展，ams認為除了需要具備提供無與倫比的高精確度、寬動態范圍、高靈敏度及超低功耗解決方案的能力，也需要深入了解物聯網市場不斷發展過程中的特殊需求并思考該市場未來發展的需求。ams在光學傳感器領域具有強大的競爭力，主要來自公司對新的紅外光譜學領域的研發，以及傳感器與數字處理、擴充的濾波器裝置、納米光子學以及先進光學產品系列的集成。
ADI：智能化和物聯網兩個大方向
“十二五”計劃中很重要的兩個概念和工業市場有關，第一個就是智能化，智能能源和智能電網。“十二五”中重點建設的智能電網給了企業很多商機，特別是在電網的輸電和配電環節，對ADI來說是重點的垂直市場。第二個就是物聯網的概念，所謂物聯網就是把很多的傳統器件，包含工業器件，連接到數字化和互聯網這個平臺上來。所以，在工業自動化上，ADI會有比原來更多的投資，會看到更多的增長。
ADI公司市場經理張鵬先生表示，ADI針對物聯網新近推出了AD9361無線收發模擬前端。AD9361是一款高性能、高度集成的RF Agile Transceiver™捷變收發器。該器件的可編程性和寬帶能力使其成為多種收發器應用的理想選擇。該器件集RF前端與靈活的混合信號基帶部分為一體，集成頻率合成器，為處理器提供可配置數字接口，從而簡化設計導入。AD9361工作頻率范圍為70 MHz至6.0 GHz，涵蓋大部分特許執照和免執照頻段，支持的通道帶寬范圍為不到200 kHz至56 MHz。該器件可以用于small cell/Femtocell等微基站的設計。便于安裝調試以實現工廠自動化。
ADI對于智能化工廠的產品主要在工業組網上。ADI可提供從4~20mA、RS-232、RS-485、CAN、LVDS等多種工業通訊協議的芯片，可以支持隔離與非隔離、工業溫度范圍、含DC-DC隔離電源等技術;還有一些支持短距離無線通訊技術，提供高性能的、可涵蓋不同頻段的射頻芯片;另外對于工業以太網技術，ADI也在新的處理器中加以考慮。這些芯片都給工業組網帶來很大的便利。
Intersil ：電源技術已在物聯網的推廣
日用電子產品的智能化和聯網最終將使物聯網成為一個價值數十億美元的商機。但物聯網現在仍是一個不成熟的終端市場，需要針對各種終端設備的互聯標準和完善的軟件生態系統。但有幾點是明確的：移動電話是物聯網的主要推動因素，它是訪問由互聯終端設備提供的數據中樞，另外我們需要大量骨干基礎設施來支持不斷增加的網絡負載和數據存儲。從更大的背景來看，據估計移動通信量將在五年內(到2017年)增加12倍。到2017年，聯網設備的數量有望達到地球人口數量的三倍之多。
Intersil在電源管理領域的專長是許多物聯網應用的重點所在。隨著系統功能的增加，電源效率變得尤為重要，電源管理成為目前最重大的設計挑戰之一。通過在過去十年間所累積的核心設計能力，Intersil的創新能夠為最挑剔的應用節省功率。我們已經將該知識產權轉化為能顯著延長電池續航時間的新產品。例如，ISL98611是首款將顯示電源和背光LED驅動器集成于單個芯片的電源管理IC。它顯著增進了這兩項功能的效率，使智能手機電池續航時間增加一小時或更長時間。這對用于集中收集各種始終在線的物聯網應用程序來說至關重要。
對于像Intersil 這樣的半導體公司而言，物聯網的骨干很有可能成為最具挑戰性和富有成果的應用領域之一。電源的有效設計就是要克服既要使網絡高效運行，又要保持其冷態并且仍然維持系統的可靠性和高密度之間的矛盾。
隨著互聯的物聯網終端設備越來越多的得到了最大的關注，行業開始充分理解這些終端設備對帶寬和存儲需求的影響，物聯網所需的基礎設施數量和節點增加也同樣受到了同等程度的重視。就網絡的這兩個方面而言，Intersil的電源技術已在物聯網的推廣方面發揮著關鍵作用。
金升陽：新能源汽車DC-DC發展趨勢
新能源汽車主要包括插電式混合動力汽車、純電動汽車等。與傳統汽車相比，這些新能源汽車更多地需要DC/DC轉換器對電壓進行轉換、逆變。新能源汽車DC/DC轉換模塊的技術走勢主要是基于終端客戶的需求。目前，除了TS16949體系要求汽車電子企業滿足汽車終端客戶需求外，各大車企還制定了自己的汽車企業標準。
廣州金升陽科技有限公司 FAE高級工程師奉啟珠表示，終端客戶比較關注以下幾個方面的技術發展趨勢：
(1)工作環境要求：因為電機等發熱器件的原因，工作環境溫度較高，要求DC/DC轉換器操作環境溫度從常規的85度至少升級到105度，最終要求125度;可以參考ISO16750環境可靠性標準。
(2)輸入電壓：在汽車點火時，車載電池電壓會跌落，導致DC/DC轉換器啟動電壓低于常規電壓的輸入范圍，例如12V電池設計為6.5-18V(常規為9-18V);
(3)抗震性：汽車行駛的路面可能不平，因此要求DC/DC轉換器抗振動性強。一般要求10-55Hz, 10G, 30 Min. along X, Y and Z。
(4)EMC：因為汽車內部的電氣設備非常多，靠近人體，且人在車內的停留時間長，因此對于電磁兼容性要求極高。這塊可以參考的標準也非常多，如：ISO 7637、ISO 11452，GB/T 17626、GB 13837。
(5)器件規范：汽車級DC/DC轉換器內部使用的器件滿足AEC-Q100/101/200的測試規范。
金升陽是最早在混合動力汽車和電動汽車市場發力的DC/DC轉換器廠商，自2008年開始，金升陽就與海外一線汽車廠商合作開發汽車級DC/DC轉換器，積累大量研發設計、生產制造、應用與失效分析經驗，產品和方案都非常成熟穩定可靠，得到了市場的認可，這些都不是短時間能夠做到的。例如：電機控制器解決方案
- 使用溫度-40℃~+105℃
- 隔離電壓3000VAC、隔離電容10pF
- 正負輸出：15V/-8.0V
- 高容性負載能力，支持峰值電流正負5A
- 開環設計無過沖
- 輸出短路保護自恢復
除此之外，金升陽為新能源汽車行業提出BMS產品解決方案、空調控制器ECU解決方案和智能充電機解決方案等較為典型的隔離式DC/DC轉換器解決方案，汽車產品的可靠性要求高、需求各異，具體設計時多與FAE溝通，可以借鑒很多應用經驗，規避應用風險，提升整個系統的可靠性。
Altera：下一代FPGA的供電挑戰
作為電子系統的心臟器件，電源一直以來都是應用市場關注的焦點。電源的發展方向可以歸結為三方面：小型化;高效、高可靠性;智能化或者數字化。其中數字化尤為重要。因為現在處理器的性能大大增強了，同時其電壓數值也大大降低了。例如，以前一個FPGA的內核電壓供電是2V或者1V，現在很多FPGA的核心電壓只有0.9V或0.8V。如何確保電源穩壓器能夠輸出如此低的電壓值，同時又能夠達到0.5%或者1%的電壓穩壓精度?挑戰在于電壓精度越來越難實現，例如1V電壓，若達到0.5%精度，需要穩壓的電壓值只有5mV，很可能一個噪聲(即紋波)就可能要達到5mV。而傳統的模擬控制環境很難實現這么高的穩壓精度，或者在時效上有一些誤差。只有通過數字化的電源管理可以解決這一點。
例如，對于Altera第十代FPGA和嵌入式處理器來說，一個是對電流的要求越來越高，對功耗要求更低，二是高速系統對噪聲控制更嚴格，三是隨著工藝節點到達20nm和14nm后，電壓在不斷下降。
所謂數字電源，是在其中加入了數字的內核(例如DSP和處理器)，有一個通信的接口和主處理器相連接，它可以和主處理器進行雙向通信。而模擬電源使用的是模擬控制器。數字電源可能還有內存，內存事先儲存了多個預先設置的配置。和傳統的模擬的解決方案相比，它的效率更高，波紋更低，對瞬態響應速度更快。
Altera在其FPGA Enpirion電源解決方案中增加了30A PowerSoC DC-DC降壓轉換器。30A EM1130是其集成數字DC-DC降壓轉換器系列的第一款產品，為Altera的第10代FPGA提供電源管理功能，特別是Arria 10和Stratix 10 FPGA內核以及收發器電源軌。Altera公司全球業務開發總監Patrick Wadden稱，該產品也可以支持其他廠商的FPGA，還有一些高端的ASIC/SoC、嵌入式處理器、內存和SSD廠商等。
TI：組合方案可滿足差異化需求
數字電源
談到數字電源，德州儀器(TI)非隔離電源全球市場總監James MacDonald說，數字電源的優勢是可實現復雜的電壓調節。一般分為數字電源控制器、帶數字接口的電源穩壓器，數字電源時序器和數字熱插拔控制器等。TI的優勢是有業內廣泛的數字電源IC產品組合，并且有市場上唯一一款PMBus負載點穩壓器，具有電流高達30A的集成式FET。
為了簡化數字電源設計，近日，TI推出了數字電源BoosterPack，與TI的F28069 LaunchPad開發套件組合使用，即可簡化對降壓轉換器的控制。其集成了C28x實時處理內核以及精密控制外設的TI F2806x MCU，由9V電壓供電運行，消除了高電壓系統開發的風險，并由powerSUITE圖形化軟件工具提供支持，可助力功率調節器、不間斷電源、AC/DC電源和太陽能逆變器等數字應用。
寬Vin DC/DC轉換器
另外，TI還在模擬電源技術上不斷突破，包括兩款新的寬Vin(輸入電壓) DC/DC轉換器。具體地，支持Fly-Buck™ 功能的65V同步降壓轉換器號稱業內首款，它在無需光耦合器(因無需光耦，因此英文是“Fly”)的情況下，仍可提供高達15W的隔離式偏置電源。作為Fly-Buck電源產品組合的部件之一，LM5160A提升了功率密度，并且以更高效和可靠的方式解決了工業和汽車應用中較高的功率需求。例如，LM5160A轉換器特有無需環路補償的恒定接通時間控制，并用快速瞬變響應支持高降壓比。此外，相對于傳統反激式解決方案，這款轉換器也簡化了設計工作。
零待機功耗：適合75W AC電源的PSR
電源適配器插在插座上，即使沒有給手機、平板電腦等用電器充電，仍在耗電。因此，在高功率AC/DC電源的低待機功耗PSR(初級側穩壓)方案方面，現有初級側穩壓電源的主要設計局限在于：如何在保持低待機功率的情況下仍然保證較高的瞬變響應性能。為此，TI推出了業內首款可應用于75W功率的AC/DC反激式電源的零待機功耗控制器芯片集，待機功耗堪稱業內最低。新的UCC28730初級側穩壓 (PSR) 反激式控制器具有700V啟動開關和UCC24650喚醒監視器，可將電源效率提升到全新水平。它還支持5~24V輸出電壓，能夠幫助設計人員為電視、家用電器、AC適配器、通風供熱和空調系統 (HVAC)，以及樓宇自動化系統創造更小巧、更高效的電源。
首款采用QFN封裝的GaN半橋功率級
GaN被稱為第三代半導體材料，相比于第一代Si和第二代GaAs等，GaN的優勢是可以最大限度地提高功率密度。但是，過去基于GaN的電源設計面對的一大挑戰是與驅動GaN FET有關的不確定性，以及由封裝方式和設計布局布線所導致的寄生效應。為此，TI近日發布了業內首款80V半橋GaN FET模塊LMG5200，是全集成GaN FET功率級原型機，可幫助電源設計人員迅速了解GaN的極致優勢。此次原型機由位于四方扁平無引線 (QFN) 封裝內的一個高頻驅動器和兩個采用半橋配置的GaN FET組成，使之非常易于設計，為空間有限且高頻的工業應用和電信應用提供更高的功率密度和效率。
參考文獻:
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