電源管理IC的“進(jìn)化”

　　雖然電源管理IC不像CPU、GPU那樣吸睛，但它屬于一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的市場(chǎng)，如果能在這一領(lǐng)域深耕，那也能培育自己的“一畝三分地”。畢竟，電源管理IC不可或缺。據(jù)預(yù)測(cè)，電源IC市場(chǎng)規(guī)模到2023年將增長(zhǎng)至227億美元，2018~2023年期間的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）將達(dá)4.6%。而一方面隨著自身在提升集成度、模塊化、數(shù)字化不斷進(jìn)階，另一方面新型應(yīng)用拉升對(duì)GaN、SiC等材料需求，為電源管理IC發(fā)展注入全新動(dòng)力。

　　應(yīng)用之變

　　對(duì)于電源管理IC來(lái)說(shuō)，無(wú)論針對(duì)傳統(tǒng)還是新興應(yīng)用，“進(jìn)化”是一直以來(lái)的訴求。

　　德州儀器副總裁兼降壓開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品業(yè)務(wù)部總經(jīng)理MarkGary認(rèn)為，偏消費(fèi)類(lèi)的產(chǎn)品如筆記本、手機(jī)及可穿戴產(chǎn)品，對(duì)電源管理IC的要求在于尺寸更小、功率更大，以適應(yīng)小型化和快充的需求。而在數(shù)據(jù)中心及工業(yè)4.0領(lǐng)域，對(duì)電源管理IC提出大功率需求，則需要更高的效率和更優(yōu)的EMI表現(xiàn)。

　　MarkGary舉例說(shuō)，以服務(wù)器應(yīng)用為例，如需實(shí)現(xiàn)云計(jì)算，則要求服務(wù)器處理能力更強(qiáng)，如何在固定空間情況下實(shí)現(xiàn)更大的功率，從幾千瓦到30kW等等，這是電源管理IC所需要應(yīng)對(duì)的。

　　ADI電源產(chǎn)品中國(guó)區(qū)市場(chǎng)總監(jiān)梁再信分析說(shuō)，工業(yè)4.0的電源管理IC著重靈活度、效率、低EMI、安全性、可靠性等等；在自動(dòng)駕駛汽車(chē)領(lǐng)域，關(guān)鍵平臺(tái)主要有激光雷達(dá)、毫米波雷達(dá)等，對(duì)噪聲和安全性要求很高；而在通信領(lǐng)域，針對(duì)即將到來(lái)的5G變革，最大的挑戰(zhàn)就是如何提高電源轉(zhuǎn)換效率。

　　而從市場(chǎng)需求來(lái)看，有分析稱(chēng)通信市場(chǎng)讓將占據(jù)最主要的市場(chǎng)份額，即將到來(lái)的5G大規(guī)模布局，將進(jìn)一步提升通信領(lǐng)域電源管理芯片需求。于此同時(shí)，汽車(chē)電氣化以及工業(yè)4.0升級(jí)，也將成為電源管理芯片的助推劑。相對(duì)而言，消費(fèi)類(lèi)及計(jì)算方面應(yīng)用需求有所降低。

　　模塊“快進(jìn)”

　　電源管理IC的集成化、模塊化、智能化一直是前進(jìn)的動(dòng)力，而模塊化在內(nèi)外因的相互作用下正在興起。

　　MarkGary提及，電源模塊發(fā)展有兩大驅(qū)動(dòng)因素，一是新工藝的導(dǎo)入，通過(guò)將被動(dòng)元器件如電感、電容、電阻等集成，使得尺寸趨小的同時(shí)將功率提升；二是封裝的改進(jìn)和創(chuàng)新，4-5年前很多封裝工藝采用打線(xiàn)的技術(shù)，而現(xiàn)在則采用倒裝技術(shù)，從而使得功率密度更高、EMI進(jìn)一步改善。

　　這不僅賦予電源模塊抗EMI性好、功率密度高、更可靠等特點(diǎn)，MarkGary還指出，電源模塊不僅整體尺寸變小，同時(shí)外圍要求也更簡(jiǎn)單，不需更多的被動(dòng)元器件，BOM的數(shù)量變少。此外，對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)會(huì)更便利，將加快上市進(jìn)程。

　　而此前模塊因成本偏高而市場(chǎng)化推進(jìn)受阻的障礙也在進(jìn)一步消除。“隨著工藝和技術(shù)的發(fā)展，電源模塊與分立器件的價(jià)差已縮小，四五年前電源模塊價(jià)格是分立器件的4-5倍，現(xiàn)在則是1.8-1.9倍。從性?xún)r(jià)比來(lái)看，工程師認(rèn)為采用電源模塊開(kāi)發(fā)更方便，同時(shí)外圍器件減少也可進(jìn)一步降低成本，因而市場(chǎng)潛力可期。”MarkGary十分看法電源模塊的發(fā)展，“在測(cè)試測(cè)量、醫(yī)療儀器、工業(yè)自動(dòng)等需要小體積、EMI優(yōu)勢(shì)的應(yīng)用，均可采用電源模塊。”

　　而TI最新推出的電源模塊LMZM33606可謂因時(shí)而生。MarkGary介紹其優(yōu)勢(shì)時(shí)說(shuō)，一是EMI特性?xún)?yōu)良，因模塊已集成電容，可將電流環(huán)路做到更小，從而滿(mǎn)足眾多EMI標(biāo)準(zhǔn)。二是功率密度更高。三是WEBENCH使設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單，WEBENCH支持在線(xiàn)設(shè)計(jì)，只需將輸入輸出參數(shù)放到WEBENCH里，就可算出所需的電容和電阻。

　　GaN批量

　　在電源管理IC市場(chǎng)，傳統(tǒng)“硅”材料遇到的極限在于在現(xiàn)有尺寸規(guī)格下，無(wú)法在所需的頻率下輸出更高的功率。而在諸如5G、數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用中，功率都是一個(gè)至關(guān)重要的因素。在此情形下，可在尺寸和能耗減半的條件下輸送同等的功率的氮化鎵（GaN）應(yīng)運(yùn)而生。

　　TI高壓電源應(yīng)用產(chǎn)品業(yè)務(wù)部氮化鎵（GaN）功率器件產(chǎn)品線(xiàn)經(jīng)理SteveTom介紹，頻率提高使體積減小是GaN顯著的優(yōu)點(diǎn)，因這可顯著地減小變壓器、電感和電容的體積。在傳統(tǒng)的電壓器設(shè)計(jì)中，600V輸入一般只有100kHz頻率，變壓器體積會(huì)非常大，整體重量也大于650g。而TI的GaN產(chǎn)品頻率高達(dá)1MHz，是傳統(tǒng)頻率的10倍，因而理論上可將電感、電容的尺寸縮小10倍。

　　雖然GaN相比硅成本較高，但從三個(gè)方面來(lái)看，市場(chǎng)接受度在提高。SteveTom分析說(shuō)，一是隨著整個(gè)市場(chǎng)的成熟，越來(lái)越多的客戶(hù)在使用，GaN的整體價(jià)格趨勢(shì)走低；二是GaN相對(duì)傳統(tǒng)硅的頻率可以跑到1MHz，外圍的電感和電容尺寸可以變得更小，這也意味著更便宜，因而從整體系統(tǒng)來(lái)看價(jià)格越來(lái)越可以接受；三是新的工藝和封裝技術(shù)，使得成本也在趨低。相比另一新秀SiC（碳化硅），GaN可以跑到1MHz，SiC頻率只能達(dá)幾百kHz，對(duì)于大功率應(yīng)用GaN會(huì)更簡(jiǎn)單、成本更低。

　　SteveTom也提到：“GaN產(chǎn)品將率先在一些工業(yè)和新能源的大功率應(yīng)用中大量使用之后，價(jià)格往下走的趨勢(shì)會(huì)延伸到消費(fèi)級(jí)市場(chǎng)。”

　　而對(duì)于GaN的可靠性問(wèn)題，SteveTom特意表示，TI在最新推出的支持高達(dá)10kW應(yīng)用的新型即用型600V氮化鎵GaNLMG341x上，已做了2000萬(wàn)小時(shí)的充分的可靠性測(cè)試，包括高低溫測(cè)試、過(guò)流測(cè)試等，因而，可靠性成為強(qiáng)有力的保障。此外，該GaN器件可將功率密度提高一倍，并將損耗降低80%，不僅實(shí)現(xiàn)了更小、更有效的方案，并可進(jìn)一步簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)。

　　“我們確信GaN工藝、技術(shù)和產(chǎn)品已具備批量化生產(chǎn)的條件。”SteveTom對(duì)此充滿(mǎn)信心。目前TI官網(wǎng)不僅提供參考設(shè)計(jì)，還提供PCB布局、技術(shù)文檔和開(kāi)發(fā)工具等。除全新上線(xiàn)WEBENCH工具之外，TI還與《電源設(shè)計(jì)基礎(chǔ)》的原版作者合作，將其翻譯成中文，讓客戶(hù)能學(xué)習(xí)到更多的電源知識(shí)，更方便地選型和設(shè)計(jì)，從而加快產(chǎn)品上市進(jìn)程。SteveTom最后強(qiáng)調(diào)，在GaN產(chǎn)品方面，TI將持續(xù)投入，未來(lái)產(chǎn)品會(huì)在集成度和過(guò)壓過(guò)流保護(hù)方面不斷提升，開(kāi)發(fā)也將更簡(jiǎn)便。