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請(qǐng)想象一種手機(jī)電池，它能供應(yīng)無(wú)線電力，并仍適合目前的形狀系數(shù)。對(duì)于目前的便攜電子設(shè)備的最大缺點(diǎn)而言，它堪稱完美的解決方案，不是嗎？答案是否定的。即便有這種魔幻般的電池，人們?nèi)悦媾R功耗問(wèn)題：在目前的電源管理方案下，手機(jī)很快就會(huì)變得燙手。關(guān)鍵在于有效功率，而非可用功率。在尋找日益高效的電源方案的過(guò)程中，浮現(xiàn)出了包含電源轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓、管理、無(wú)源元件在內(nèi)的電源SOC（單片電源）概念，它已成為人們渴求的目標(biāo)。一些電源公司和大學(xué)研究人員正在探求這種技術(shù)。電源SOC不僅將使手持電子設(shè)備受益，還將惠及筆記本電腦（電池壽命會(huì)更長(zhǎng)）和服務(wù)器（能源成本會(huì)更低）。在未來(lái)若干年，這些電源SOC將對(duì)各類電子應(yīng)用產(chǎn)生吸引力。 目前帶有外部電感器的DC/DC PMU（電源管理單元）IC已經(jīng)比幾年前的原有器件小了許多。例如，Analog Devices公司的6 MHz ADP2121轉(zhuǎn)換器也依靠外部電感器，包括電感器在內(nèi)的尺寸僅5 mm2。核心作為目前ASIC的一部分日益普及，這推動(dòng)了一種需求，即進(jìn)一步縮小電源控制電路，使之進(jìn)入電源SOC中。例如，一部手機(jī)可能有四根或更多天線，其中包括藍(lán)牙、CDMA、GSM通信、3G單元，還含有視頻和基帶射頻部分。為了確保功率效率，每顆核心均須快速通斷，否則系統(tǒng)會(huì)在未使用的核心上浪費(fèi)功率。為實(shí)現(xiàn)精細(xì)的電源控制，每顆核心均需要自己的DC電壓源，其中包括電壓轉(zhuǎn)換與穩(wěn)定。但是，四個(gè)或更多PMU安裝在一顆多核芯片周圍，會(huì)使該芯片相形見(jiàn)絀，即便它們每個(gè)的尺寸僅有5 mm2。 人們也許會(huì)考慮在板上裝幾個(gè)電源模塊，并用半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)來(lái)通斷核心和子塊。但是，電源很難在其整個(gè)負(fù)載范圍（一般是10%至90%）均保持高效。若主電源多數(shù)時(shí)間都用于低電流負(fù)載范圍，那么它的功率效率會(huì)較低，產(chǎn)生的系統(tǒng)熱量會(huì)更多。 電源SOC技術(shù)缺乏兩種主要部件：高效合算的開(kāi)關(guān)器件、工作于20MHz至100MHz或更高頻率的磁性元件。射頻領(lǐng)域的確存在超高速開(kāi)關(guān)器件，但其開(kāi)發(fā)者通常把外來(lái)半導(dǎo)體元件作為其基礎(chǔ)，沒(méi)有使用廉價(jià)的芯片工藝。設(shè)計(jì)者也已為射頻領(lǐng)域開(kāi)發(fā)了磁性元件，但其用途一直是輻射功率。電源應(yīng)用的需求恰好相反 ——安靜的非輻射器件。另外，磁性元件研究一直比較冷清。只要高速開(kāi)關(guān)器件不能實(shí)用，就不會(huì)有人需要高速磁性元件。 為了理解改用20MHz、100MHz或更高開(kāi)關(guān)頻率的重要性，請(qǐng)看看更高的開(kāi)關(guān)速度對(duì)目前PMU尺寸的影響（圖1）。在500 kHz，開(kāi)關(guān)磁性元件幾乎是芯片尺寸的兩倍。在目前大約1MHz的開(kāi)關(guān)頻率，PMU的無(wú)源元件的尺寸幾乎與電源控制及穩(wěn)壓電路相當(dāng)。在6 MHz，芯片尺寸幾乎與磁性元件相同。電容器尺寸的縮小甚至更顯著。電源SOC的支持者們暗示：在20 MHz至100 MHz或更高速度時(shí)，無(wú)源元件會(huì)明顯縮小，可以把它們放在控制電子器件的混合信號(hào)晶粒上。 考克大學(xué)丁鐸爾國(guó)家研究所電源磁性元件研究人員Cian ? Mathúna博士預(yù)言：包含集成電感器在內(nèi)的完整電源SOC很快將能安裝于僅為1 mm2的空間中，其中包括PSIP（電源系統(tǒng)級(jí)封裝）內(nèi)的電源控制晶圓上的晶圓級(jí)微型電感器。從BOM（材料清單）角度看，PSIP和電源SOC之間幾乎沒(méi)有區(qū)別：如果拆開(kāi)PSIP，人們就會(huì)看到硅開(kāi)關(guān)器件和控制電路位于一塊IC中，而磁性元件和電容器則位于另外一兩個(gè)器件中——所有元件均位于同一封裝中。雖然PSIP器件沒(méi)有利用晶圓級(jí)裝配更低的成本和更高的可靠性，但它們的確滿足了各種應(yīng)用對(duì)小零件、更低BOM成本、更簡(jiǎn)單組裝的需求。包括 Vicor、Linear Technology、Enpirion在內(nèi)的幾家公司已開(kāi)始采用這種方法。 例如，Enpirion公司的1 MHz、600 mA EP5368Q集成了一個(gè)電感器，安裝在3 mm × 3 mm × 1.1 mm QFN封裝中，并且總尺寸僅為22 mm2，其中包括兩個(gè)外部電容器。該公司提供多種可達(dá)9 A電流和5 MHz開(kāi)關(guān)速度的器件。Enpirion公司把開(kāi)關(guān)與控制電路和電感器分離開(kāi)來(lái)，并在同一封裝內(nèi)放置了兩顆晶粒。該公司產(chǎn)品營(yíng)銷總監(jiān)Michael Laflin表示，公司可以把電感器裝配在硅晶圓上，或裝配在更傳統(tǒng)的多層螺旋結(jié)構(gòu)中，這取決于應(yīng)用需求。這些需求包括負(fù)載電流、電感、損耗預(yù)算、飽和電流等因素。該公司還考慮了以下事實(shí)：不同磁性材料在不同頻率表現(xiàn)出不同損耗特征和行為，因此磁性材料在電感器設(shè)計(jì)領(lǐng)域也有一席之地。Enpirion公司不愿透露其電感器背后的技術(shù)，這是因?yàn)榇判栽夹g(shù)是其器件中的“秘笈”。 今年1月，Enpirion公司在愛(ài)爾蘭考克舉行的PwrSOC (Power-SOC)專題討論會(huì)上宣讀了一篇論文，詳細(xì)介紹了它在可制造性、成品率、可靠性、成本方面接受的教訓(xùn)（參考文獻(xiàn)1）。這些平淡無(wú)奇的決定因素是產(chǎn)品開(kāi)發(fā)取得成功的關(guān)鍵，這是因?yàn)樵陔娫垂芾眍I(lǐng)域，正如Laflin所說(shuō)，“成本決定一切。” 愛(ài)爾蘭考克大學(xué)的丁鐸爾國(guó)家研究所是最有經(jīng)驗(yàn)的晶圓級(jí)磁性元件研究中心之一，它利用其4英寸晶圓加工線來(lái)研究開(kāi)關(guān)頻率為10 MHz至100 MHz的電感器（圖2a）。這些電感器使用“跑道式”幾何結(jié)構(gòu)的電鍍銅繞組，后者被封裝在一種薄膜電鍍密封鎳鐵軟磁芯中（參考文獻(xiàn)2）。為了提供參考，丁鐸爾的研究人員用一塊單片MOSFET及驅(qū)動(dòng)器傳動(dòng)系IC演示了工作于15 MHz至65 MHz的電感器。這種降壓轉(zhuǎn)換器SMPS（開(kāi)關(guān)式電源）包含轉(zhuǎn)換器和電感器，在20 MHz時(shí)的效率為80%，使用了Coilcraft公司(www.coilcraft.com) 的商用貼片電感器，并且輸入電壓為3V，輸出電壓為1.5V，輸出電流為100 mA。當(dāng)研究人員替換了Tyndall 2.5 mm2微電感器之后，效率降至76%。但請(qǐng)記住：Tyndall電感器不是為該電路設(shè)計(jì)的，它本是某種生產(chǎn)設(shè)計(jì)的一部分。Mathúna表示，研究人員可以調(diào)整銅損耗和磁芯損耗。他說(shuō)：“我們把銅繞組電鍍到模具中，厚度為35 m至50 ?m。如果我們?cè)黾鱼~的厚度，我們就能在很大程度上仿真Coilcraft電感器。另外，磁芯材料有自己的內(nèi)在損耗。在鍍于薄膜的磁性材料中，電阻系數(shù)將會(huì)很低，即這些材料將會(huì)具有很強(qiáng)的導(dǎo)電能力。例如，某種鎳鐵材料的電阻系數(shù)約為45 Ωcm。如果我們改用另一種系數(shù)接近100 至150 Ωcm的磁性材料，我們就能降低渦流損耗。” 電源SOC開(kāi)發(fā)工作中的另一個(gè)癥結(jié)是高速開(kāi)關(guān)器件。降壓轉(zhuǎn)換器體系結(jié)構(gòu)是目前最常用的DC/DC-SMPS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在效率和開(kāi)關(guān)頻率之間是負(fù)相關(guān)：開(kāi)關(guān)頻率每提高一次，效率最初都會(huì)下降。德州儀器公司(TI)電源管理產(chǎn)品業(yè)務(wù)的產(chǎn)品線經(jīng)理Ted Thomas說(shuō)：“如果你的設(shè)計(jì)方案的開(kāi)關(guān)頻率是5 MHz，并且把它提高至20 MHz，那么開(kāi)關(guān)損耗至少將是以前的四倍。開(kāi)關(guān)損耗最終會(huì)支配電源效率。” 但是，有幾種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的開(kāi)關(guān)頻率和低效率之間的關(guān)系較弱。以ZVS（零電壓開(kāi)關(guān)）拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，開(kāi)關(guān)器件僅在其兩端沒(méi)有電壓時(shí)通斷。可使用電路的諧振頻率來(lái)確定零電壓點(diǎn)。設(shè)計(jì)者們多年來(lái)一直在AC/DC電源中使用ZVS，這些電源必須容納大電流。這些開(kāi)關(guān)損耗很低的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的問(wèn)題在于其復(fù)雜性。但如果制造商們能把它們裝在“黑盒”電源SOC中，并且為設(shè)計(jì)方案配比了合適的磁性元件，那么對(duì)于電路設(shè)計(jì)者而言，它們就能變成直截了當(dāng)?shù)臉?gòu)件。 還可選擇一些采用非傳統(tǒng)工藝的技術(shù)，它們目前可供設(shè)計(jì)者探索更快的開(kāi)關(guān)器件。例如，碳化硅能以較低的損耗支持很高的開(kāi)關(guān)速率，但它較高的成本可能會(huì)使它無(wú)法用于主流的成本敏感型器件。International Rectifier公司9月宣布了它的氮化鎵平臺(tái)，它宣稱這種半導(dǎo)體工藝具有“改變游戲規(guī)則的”較高功率密度。該公司聲稱：它的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于它能使用廉價(jià)、貨源充足的硅晶圓來(lái)構(gòu)建電路。該方法在不犧牲性能的前提下降低了成本。與未采用硅的氮化鎵產(chǎn)品相比，這些器件還能在高得多的電壓完成開(kāi)關(guān)動(dòng)作。 International Rectifier公司計(jì)劃年底之前開(kāi)始發(fā)運(yùn)這些器件的樣品，工作頻率低于6 MHz至10 MHz。 電源SOC未來(lái)還會(huì)發(fā)生哪些事情？10MHz PSIP和100MHz PSIP將分別在未來(lái)18個(gè)月和三至五年內(nèi)出現(xiàn)，二者都將采用標(biāo)準(zhǔn)的硅工藝。 |
