電源SOC：或許好用的“瘋狂”創(chuàng)意

    對(duì)于電源管理IC，把包括開(kāi)關(guān)、控制和無(wú)源元件在內(nèi)的整個(gè)電源安裝在一塊芯片上，就能促成更高的功率效率，并降低散熱量。尖端的電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、微型磁性元件、更快的開(kāi)關(guān)器件可以共同使單片電源成為現(xiàn)實(shí)。

　要點(diǎn)
　　* 微型單片電源能在電子器件中促成更高效的電源管理和更低的散熱量。
　　* 對(duì)于兩三兆赫的速度而言，單一封裝即可容納的電源已成為現(xiàn)實(shí)。
　　* 磁性元件和開(kāi)關(guān)器件必須不斷進(jìn)步，來(lái)促成電源電路的持續(xù)微型化。

　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(chēng)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(lèi)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?chē)�，�?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(mǎn)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(xiāo)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�件技術(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(zhuān)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(chēng)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(chēng)：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。

參考文獻(xiàn)
1. International Workshop on Power Supply on Chip, Cork, Ireland, www.powersoc.org/programme.html.
2. Tyndall, www.tyndall.ei.