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電池電源管理與保護IC之市場概況
 

【作者: 王岫晨】   2004年10月05日 星期二

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在可攜式產品朝向數位化、小型化與整合化三大趨勢發展的同時,電源管理IC也日漸成為市場新寵,因為所有的可攜式產品都需要電池供給電源,而不同晶片間的電源轉換與管理等工作則需要電源管理IC來執行。因此電源管理IC在高度發展的可攜式產品市場中可說是越來越重要。在半導體產業進入深次微米與奈米製程之後,晶片有更多不同電壓、電流的需求與保護。此外,由於可攜式產品如手機或PDA,其所整合的功能越來越多,對於電源的持久需求與更長的電池壽命也成為在市場上生存的必備條件。這些都促使更多廠商積極投入電源管理與保護IC的研發與生產。


市場概況

一份由在iSuppli所做的統計資料指出,2003年全球電源管理產品(包括電源管理IC和其他電源元件)的市場銷售額比2002年增加了14%,約為153.9億美元,而2004年的銷售額預計將比2003年增加15%,達177億美元。而另一家市調機購CIR則認為電源管理IC的市場前景一片光明,在2004年光是應用於可攜式產品的電源管理IC市場就可達到43億美元的規模,到了2008年更將攀升到72億美元。其實電源管理IC的成長速度比起整個半導體業界總是快了幾步,例如在2002~2004年間,電源管理元件的年複合成長率為40%,但半導體產業的整體成長率則僅為35%。可攜式產品的發展為電源管理產品拓展了可觀的市場。


可攜式產品應用為電源管理最大考驗

從應用層面看,除了電腦與網路通信設備之外,可攜式產品是電源管理IC的主要市場。例如今日的手機已不是單純傳送聲音的工具了,新一代的手機整合了數位相機、彩色螢幕、MP3播放器、電動遊戲、FM立體聲收音機及PDA等功能。


因此設計上需要縮小產品體積、增加運算處理速度並達成更高畫質的彩色顯示能力,但另一方面不但不能影響電池壽命、效能或者系統運算時間,反而還得增長電池供電時間與電池壽命。而新的電池技術問世,如體積更小的燃料電池等,也讓系統設計師在研發電源管理元件時,增加許多艱鉅的挑戰。


《圖一 TI亞洲區市場開發部門高效能類比產品資深市場行銷工程師何信龍》
《圖一 TI亞洲區市場開發部門高效能類比產品資深市場行銷工程師何信龍》

可攜式產品電源兩大需求

可攜式產品不需要插電,因此使用時一定得以電池作為電力來源。德州儀器(TI)亞洲區市場開發部門高效能類比產品資深市場行銷工程師何信龍表示,可攜式產品的電池有兩大需求。第一是效率要高,一般使用者都希望可攜式產品的電池能夠使用越久越好,所以如果產品裡的電源管理IC效率不好,除了使用時間減短之外,電池壽命也會相對縮短。第二是體積要小,可攜式產品從過去龐大的體積,到現在小到可以放在口袋裡,電源管理IC的封裝技術必須跟著升級。


以可攜式產品的電源來說,體積小、效率高是所有人最在乎的。何信龍指出,在跟客戶溝通的過程中,發現客戶最在乎的就是電源效率,其次就是體積。至於價格方面的考量反而比較其次,因為如果電池可以做到小而省電,消費者會願意花多一點錢去購買。因此所有廠商在設計上都須朝這個方向去努力。


鋰電池與電源保護IC

何信龍表示,現今電池保護IC只有鋰電池比較需要,因為像鉛酸、鎳氫(NiMH)與鎳鎘(NiCd)電池,就算是過充電或過放電,影響所及也僅只是電池本身的壽命長短而已。但鋰電池如果施加的電壓太大便會爆炸,那是因為電池保護IC沒有發揮應有的功能。因此現今所談到的電池保護IC大都是用於鋰電池。現今的手機等可攜式產品大多使用鋰電池,由於人們經常貼身攜帶,因此電池保護IC也就相對的重要。


與下游廠商相互學習

在提供解決方案給下游廠商的同時,下游廠商也會提供重要資訊,因此在某些方面來說,下游廠商等於是電源IC設計商的老師。下游廠商會清楚說明他們在電源管理方面所需要的功能。因此設計商從下游廠商得到很多資訊,以決定下一代的產品該往哪個方向開發。在相互學習的過程中,電源IC設計商往往能從下游廠商那邊學到更多。


國內電源IC廠商的瓶頸

一般來說,半導體廠商有兩個管道可製造產品。一是建造自己的工廠(silicon foundries),二是本身專注於晶片的設計,而將晶片的製造委託別的廠商代工(fabless)。比較國內外的廠商,會發現國內很多電源IC廠商都是無晶圓廠的Design House,但是多數外商,如TI或ADI等都有自己的晶圓廠,這是個很大的差異。不只是電源IC,在很多在類比產品的設計上,若要做到省電、效率高與體積小,在規劃與設計上會有很大的影響。這是國內廠商需要去突破的地方。


跟本地廠商比較起來,TI最大的優勢是擁有自己的晶圓廠,因此可針對不同的技術與產品需求去設計與發展適當的製程,因此可擁有不同的設計,比如較高的電壓、較小的啟動電壓或靜態電流等。而這些設計的目的在於能夠降低生產成本。另外TI很多產品須仰賴代理商的支援,因此TI在全球或亞洲地區都跟代理商建立很好的合作夥伴關係。


類比技術需累積經驗

類比IC包括標準類比IC(Standard Linear)和特殊應用類比IC(Application Specific Analog)兩大類。類比IC的應用普及,但其技術需要經驗與時間的累積。類比IC並不像數位IC一樣擁有大量的電子設計自動化(Electronic Design Automation;EDA)工具和IP可一再重複使用,所以類比IC在設計上需要相當長的時間來累積經驗,因此剛投入類比IC研發的廠商很難在短期擁有成果,但價格上不會有大幅度變動也是類比IC的優點。安森美(On Semiconductor)台灣區總經理暨大中華區應用工程部總監陳茂田認為,想跨入類比技術的領域十分容易,但要將產品做得好在研發上卻有一定的困難度。因此類比廠商大多都有一定的歷史,其研發人員也多是這一領域的箇中翹楚。


《圖二 ON Semi台灣區總經理暨大中華區應用工程部總監陳茂田》
《圖二 ON Semi台灣區總經理暨大中華區應用工程部總監陳茂田》

可攜式電源IC的最大挑戰

安森美的四大產品線中,以AC/DC電源轉換系統的使用最為廣泛,這是因為住家中的所有電子產品都是使用直流電源,因此需要將家裡的110伏特交流電轉換成直流電源。而在可攜式產品上,由電池所供給的電源,須由電源管理IC將電源轉換成不同的電壓,以供給產品上各電子元件。然而電源的轉換容易造成許多不同的問題,如干擾與能量的損耗等。只要電源一經轉換,就會產生損失,因此能量的損耗是一個很大的問題。


一般來說,電源IC在開發上的五個重點分別為:


  • ●待機耗損低


  • ●系統成本低


  • ●電磁波干擾低


  • ●具多重保護迴路


  • ●系統轉換效率高



電源轉換三大問題

以手機為例,其電池電源多為3.3伏特,但是手機中晶片所需的電壓很低,一般多為1.5或1.8伏特,頂多2.5伏特,因此在多次的轉換下,勢必產生許多能量損耗。此外,一般電子產品都需要充電器把110伏特交流電轉換為直流電儲存至電池中,因此便產生三個問題。


  • (1)該如何充電?何種方式才能讓電池充電恰當不會過飽和。因為充電過飽和會讓電池壽命降低。


  • (2)充電完成之後,如何把電池的電壓轉換成手機裏每一個元件所需的電源?如晶片與面板等,因為這些元件所需要的電壓各不相同,因此需要電源的轉換。


  • (3)如何克服能量的耗損?在轉換過程中會有能量的損耗,有些會成為熱能導致機身變熱,其原因就是能量轉換時的耗損,而這些損耗經常會傷害電池並導致壽命減短。



整合就是優勢

電池的使用壽命一般人當然都希望能使用越久越好,然而希望永遠不發生能量損耗當然不可能。因此如何利用電源IC來克服以上問題、增加效能並延長電池壽命則是研發中所需要思考的重要課題。陳茂田表示,消費者並無法看到可攜式產品中的IC晶片,他們只能看到一個完整的系統,因此系統的成本要低才有意義。只要每一個系統所涵蓋的功能多,周邊的零件就會相對減少,這種整合式的IC功能也是安森美目前在研發產品上的主要優勢。


安森美的電源管理與保護IC產品具有以下優點:


  • ●系統成本低:可減少周邊零件。


  • ●產品體積小:可提高整合度並減小封裝體積。


  • ●轉換效率高:擁有創新的電路結構與技術。


  • ●待機耗電低:可節省能源並延長電池壽命。



其實,這也正是所有電源IC廠商所積極努力達成的目標。


電池供電型產品背後的電源需求

可攜式產品的共通點是必須使用電池,電池的需求則是體積小與效率高。立錡科技(RichTek Technology)系統開發處副總經理馬代駿指出,不同種類電池在可攜式產品電池輸入電壓範圍都不相同,使得各產品也有不同升壓或降壓的組合,所以電源解決方案的差異與變化性相當大。


效能(Efficiency)

手機電源來自電池。馬代駿表示,手機的電流越高越好,電流若不高容易產生更多的power loss。在電源進行轉換(convert)的過程中,會有能量的耗損,而效能的定義就是電源從輸入(input)到轉換之後輸出(output)的交換損失(switching loss)有多少。以100%的效率而言,就是電能的不發生任何的損失,可把電池電能完全轉換成可攜式產品所需的能量。但要讓電源效能達到100%實際上不太可能,只能儘可能的提高。可攜式產品上的電源在轉換過程中將耗損能源,因此電源IC可說是個把關者,必須讓最多的電能用於驅動系統而非耗損。因此提高轉換效率就能減少轉換的損失。


另外,靜態耗電也是一個問題。當系統處於靜態(Suspend)或是待機(standby)的時候,雖然系統並沒有在運作,但很多電路都維持ON的狀態而非OFF,這就屬於靜態耗電。


多通道Mutil-channel解決方案

提升電源效率

可攜式電池的第一要件是效率高,而任何產品的電源消耗量(consumption)都跟電池的壽命相關,效率越高耗損會越小,電池壽命也將會更長,因此必須讓漏電與耗電情況越少越好。第二,由於可攜式產品尺寸變小,PCB板的面積也有限,因此縮小IC晶片及相關零組件體積也就相形重要。而要提升電源效率,多通道(Multi-channel)解決方案是不錯的方式,只要單一顆IC就可以提供多組不同的電壓給各子系統(Sub System),如CCD、MEMORY及其他微控制晶片。


管理不同電壓

馬代駿指出,現在手機鋰電池提供約3.2~4.2V的電壓,而一般晶片組(chipset)只需要約1.5~1.8V左右,因此系統必須降壓,但少數元件需要較高電壓,也必須進行升壓。以手機的背光源為例,一顆LED通常需要3.4~3.6V的電壓才能導通,如果串聯三顆LED會需要12V的電壓,那就需把系統電壓升高到10V以上。如果LED是並聯連接,由於LED順向導通電壓不需太高,因此可直接使用電荷汞(charge pump)方式製造穩定電流。但這也是一大挑戰,由於並聯時每顆LED的電流必須相同,因此必須做current balance。如果手機還有相機功能,供電狀況就更為複雜,例如CMOS相機模組需要線性穩壓器兩組輸出電壓,又如CCD相機模組需要更高的電壓。這些不同電壓的需求可利用multi-channel統一管理,由同一顆電源管理IC來進行多項升降壓輸出。而其共同的重點是體積要小。


類比技術一步一腳印

諸多難題等待克服

可攜式產品電源管理設計方面最大的問題在於沒有一個標準(standard)可供依循,由於變化太多,不同手機對電源有不同的需求,因此必須對系統進行更深入的分析與了解。其次是必須把所需的系統製成成品,並兼顧高效率及小體積等需求。此外,如何做到高效能與同步升降電壓的技術,如何利用multi-channel技術讓同一晶片處理各種不同的電壓,卻不相互干擾,這些問題都必須克服。


一步一腳印累積技術實力

其實類比技術並不如想像中那麼艱澀,但很多設計需要經驗與時間的累積。例如電流量與耐電壓的提高、電源效率的升等與同步處理技術的突破等,這都需要經驗的累積才可以晉升到更高層級。


馬代駿又舉電感為例,電感的體積非常大,在可攜式產品寸土寸金的PCB板上,沒有這麼大的體積去容納,因此小體積就變得很重要。每一步都是挑戰,必須憑著經驗的累積,一步一腳印(step by step),利用這些技術再往不同的領域發展。以企業的群聚效應來加快人才培育的速度,利用不同公司間的share也能增加經驗的累積。


立錡自創立以來,均秉持著一步一腳印的態度去經營類比市場,包括升壓降壓等技術的成熟、完整通路的建立與營運規模的擴大正可以看出其成效。而立錡所擁有的完整產品線更可運用於各種可攜式產品的電源解決方案上。馬代駿說,現在立錡的電源IC產品效能已達95%以上,和較大規模的廠商相比已在伯仲之間。就類比廠商而言,立錡已經成功走出第一步,其自身品牌的建立,更能加速產品走入更大的應用市場。


新設計新挑戰

挑剔的消費者希望隨身攜帶的手機,只要掏出口袋就是一支外表亮眼、體型又小的無線通訊設備,講完電話可以當成多媒體影音裝置邊看影片邊聽音樂,等車無聊時可以用玩玩電動遊戲或上網瀏覽網頁,也可以當成PDA隨身處理公事、收發E-MAIL並紀錄重要事情,若遇到朋友並且可以搖身一變,成為一台數位相機一起拍個照留念,最好一個小小的掌上型裝置就能擁有電腦般的強大功能。這種念頭使得電源IC設計業者陷入困境。


美國國家半導體(NS)可攜式設備電源管理部門亞太區產品市場經理羅振輝表示,雖然電池已經大幅提升容量、延長供電時間並縮小體積,但事實上許多問題仍然存在,例如深次微米(Deep Submicron)製程技術所導致的漏電等,這些問題都成為電源轉換技術的瓶頸。


傳統設計的缺點

羅振輝指出,以開關穩壓器驅動負載來取代低壓降(LDO)的線性穩壓器,可在耗電量極少的情況下,將電池功率轉換成系統所需功率。然而,新一代手機傳送資料需耗用大量電力,加上晶片體積不斷縮小、電壓不斷下降,電源管理系統的功能也漸趨複雜。傳統設計受限於固定電壓及頻率,成效有限。而電池技術的改善對提高系統的能源效益也幫助不大,且其能源密度也很難再有太大的提升。因此,唯一的方法便是捨棄傳統設計,將供電與耗電系統視為一個整體,從整體的電源管理系統來提效率。


《圖三 NS可攜式設備電源管理部門亞太區產品市場經理羅振輝》
《圖三 NS可攜式設備電源管理部門亞太區產品市場經理羅振輝》

PowerWise電源管理技術

美國國家半導體的PowerWise技術將耗電與供電系統視為一個整體迴路,並減低超大型積體電路(Very LargeScale Integration;VLSI)的功耗。這種自適應電壓調節(Adaptive Voltage Scaling;AVS)技術將先進電源控制器(Advanced Power Controller;APC)的合成AMBA相容核心植入晶片中。APC負責監控並調整供應給IC的電壓,並利用PowerWise介面將有關資訊傳送至電源供應器,利用不同的方式節省能源,讓電壓永遠保持在最佳狀況。PowerWise讓可攜式產品處理器的效率提高75%,因此設備商在增加手機功能的同時,也能兼顧手機的體積、重量與壽命。而使用標準界面可方便APC植入IC晶片,這讓系統商能更快開發符合需求的電源平台以縮短上市時間。


以更新的技術與思維突破類比技術瓶頸

新的製程技術帶領下一代可攜式設備提前推出市場。其功能更多、體積更小,但也帶給研發業者更大的挑戰。目前業者最大的困難,就是為這些新應用設計出理想的電源管理系統,並且在外形、成本及能源效益方面都能符合消費者要求。羅振輝說,現在的手機功能跟過去已大不相同,許多功能如內建數位相機、MP3播放器、FM radio與SD卡等,將來更可能會加入微型硬碟及Digital TV等。而供給系統電力的電源技術不能再裹足不前,必須朝向全面性的解決方案發展,而不能抱持以往只針對某些問題研擬對策的落伍心態。NS將來往不同領域遇尋求發展與突破時,也必須以更新的技術與思維,來突破瓶頸並迎向更多的挑戰。


結語

可攜式產品帶給消費者更多的便利性,但也給了研發人員許多設計挑戰與壓力。電源IC廠商必須能提供各種規格,或現成可用技術,幫助設計人員發展獨特的設計。因此了解系統和電源需求,才能提供高整合度、高效率與低價格的電源產品。在研發人員的努力之下,未來可攜式產品的電源將可提供更長的使用時間與更小的體積,這些推陳出新的技術對於消費者來說,往後可攜式產品的使用肯定更為便利。


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