罗姆:带你看透电源管理IC的“进化”之路

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虽然电源管理IC不像CPU、GPU那样吸睛,但它属于一个相对稳定的市场,如果能在这一领域深耕,那也能培育自己的“一亩三分地”。毕竟,电源管理IC不可或缺。据预测,电源IC市场规模到2023年将增长至227亿美元,2018~2023年期间的复合年增长率(CAGR)将达4.6%。而一方面随着自身在提升集成度、模块化、数字化不断进阶,另一方面新型应用拉升对GaN、SiC等材料需求,为电源管理IC发展注入全新动力。

 

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应用之变

 

对于电源管理IC来说,无论针对传统还是新兴应用,“进化”是一直以来的诉求。

 

一些偏消费类的产品如笔记本、手机及可穿戴产品,对电源管理IC的要求在于尺寸更小、功率更大,以适应小型化和快充的需求。而在数据中心及工业4.0领域,对电源管理IC提出大功率需求,则需要更高的效率和更优的EMI表现。

 

以服务器应用为例,如需实现云计算,则要求服务器处理能力更强,如何在固定空间情况下实现更大的功率,从几千瓦到30kW等等,这是电源管理IC所需要应对的。

 

值得一提的是,罗姆公司的“BD71837MWV”的电源IC电路便是根据“i.MX 8M系列”处理器的电源系统设计而成,集控制逻辑、8通道降压型DC/DC转换器(Buck Converter)、7通道LDO于一身,仅这1枚芯片,不仅可为处理器供电,还可为应用所需的DDR存储器供电。此外,还内置有SDXC卡用1.8V/3.3V开关、32.768kHz晶振缓冲器、众多保护功能(各电源系统的输出短路、输出过电压、输出过电流及热关断等)。

 

工业4.0的电源管理IC着重灵活度、效率、低EMI、安全性、可靠性等等;在自动驾驶汽车领域,关键平台主要有激光雷达、毫米波雷达等,对噪声和安全性要求很高;而在通信领域,针对即将到来的5G变革,最大的挑战就是如何提高电源转换效率。

 

而从市场需求来看,有分析称通信市场让将占据最主要的市场份额,即将到来的5G大规模布局,将进一步提升通信领域电源管理芯片需求。于此同时,汽车电气化以及工业4.0升级,也将成为电源管理芯片的助推剂。相对而言,消费类及计算方面应用需求有所降低。


 

 

模块快进

 

电源管理IC的集成化、模块化、智能化一直是前进的动力,而模块化在内外因的相互作用下正在兴起。

 

电源模块发展有两大驱动因素,一是新工艺的导入,通过将被动元器件如电感、电容、电阻等集成,使得尺寸趋小的同时将功率提升;二是封装的改进和创新,4-5年前很多封装工艺采用打线的技术,而现在则采用倒装技术,从而使得功率密度更高、EMI进一步改善。

 

这不仅赋予电源模块抗EMI性好、功率密度高、更可靠等特点,而且电源模块不仅整体尺寸变小,同时外围要求也更简单,不需更多的被动元器件,BOM的数量变少。此外,对于工程师来说产品开发会更便利,将加快上市进程。

 

而此前模块因成本偏高而市场化推进受阻的障碍也在进一步消除。随着工艺和技术的发展,电源模块与分立器件的价差已缩小,四五年前电源模块价格是分立器件的4-5倍,现在则是1.8-1.9倍。从性价比来看,工程师认为采用电源模块开发更方便,同时外围器件减少也可进一步降低成本,因而市场潜力可期。在测试测量、医疗仪器、工业自动等需要小体积、EMI优势的应用,均可采用电源模块。

 

其优势,一是EMI特性优良,因模块已集成电容,可将电流环路做到更小,从而满足众多EMI标准。二是功率密度更高。三是WEBENCH使设计变得简单,WEBENCH支持在线设计,只需将输入输出参数放到WEBENCH里,就可算出所需的电容和电阻。


 

 

GaN批量

 

在电源管理IC市场,传统“硅”材料遇到的极限在于在现有尺寸规格下,无法在所需的频率下输出更高的功率。而在诸如5G、数据中心等应用中,功率都是一个至关重要的因素。在此情形下,可在尺寸和能耗减半的条件下输送同等的功率的氮化镓(GaN)应运而生。

 

频率提高使体积减小是GaN显著的优点,因这可显著地减小变压器、电感和电容的体积。在传统的电压器设计中,600V输入一般只有100kHz频率,变压器体积会非常大,整体重量也大于650g。

 

据ROHM半导体(北京)有限公司设计中心所长水原德健介绍:“GaN是用于新一代功率元器件的半导体材料,其物理性能优异,尤其是高频特性使其在低耐压领域的应用也日益广泛。例如,将GaN功率器件搭载于车载DC-DC转换器或逆变器等电源装置时,能够大幅提高车载DC-DC转换器的功率转换效率且能够实现装置的小型化等,未来有望得到进一步普及。”

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功率半导体和5G的新宠 - GaN和SiC

半导体产业的发展一共分三个阶段,第一代半导体材料是硅(Si),第二代半导体材料是以GaAs和SiGe为代表的微波器件,而现在最热门的是第三代半导体材料是宽禁带半导体材料GaN和SiC,相较前两代产品,性能优势显著并受到业内的广泛好评。

浅谈SiC与GaN的应用及市场前景

SiC是第三代半导体材料的代表。以硅而言,目前SiMOSFET应用多在1000V以下,约在600~900V之间,若超过1000V,其芯片尺寸会很大,切换损耗、寄生电容也会上升。SiC器件相对于Si器件的优势之处在于,降低能量损耗、更易实现小型化和更耐高温。SiC功率器件的损耗是Si器件的50%左右。SiC主要用于实现电动车逆变器等驱动系统的小量轻化。

了解近年来,汽车功率器件的最新发展

功率半导体器件是半导体的一个重要分支,功率半导体器件可以分为电源管理IC、功率模组和功率分立器件三大类。

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虽然电源管理IC不像CPU、GPU那样吸睛,但它属于一个相对稳定的市场,如果能在这一领域深耕,那也能培育自己的“一亩三分地”。毕竟,电源管理IC不可或缺。据预测,电源IC市场规模到2023年将增长至227亿美元,2018~2023年期间的复合年增长率(CAGR)将达4.6%。而一方面随着自身在提升集成度、模块化、数字化不断进阶,另一方面新型应用拉升对GaN、SiC等材料需求,为电源管理IC发展注入全新动力。

前景广阔,产业变革——GaN

SiC是第三代半导体材料的代表。以硅而言,目前Si MOSFET 应用多在1000V以下,约在600~900V之间,若超过1000V,其芯片尺寸会很大,切换损耗、寄生电容也会上升。SiC器件相对于Si器件的优势之处在于,降低能量损耗、更易实现小型化和更耐高温。SiC功率器件的损耗是Si器件的50%左右。SiC主要用于实现电动车逆变器等驱动系统的小量轻化。