电源IC

电源ic是指开关电源的脉宽控制集成，电源靠它来调整输出电压电流的稳定。

1、发展分类

随着电子技术的发展,尤其是目前便携式产品流行和节能环保的提倡,电源IC发挥的作用越来越大。几年前,电源IC还仅仅是集成稳压器件和DC/DC转换器,但现在电源IC涵盖很多内容,包括DC/DC、LDO（低压差线形稳压器）、电池充放电管理、PWM控制器、Reset、PFC（功率因数校正）、节能控制、功率MOSEFT等等。

电源IC现在的发展趋势已经不局限于单一功能，而是将各种功能整合在一起，所以电源IC目前更多的被称为电源管理IC，或电源管理单元（PMU）。

2、扮演角色

目前我们最常提到的是电子产品的数字化,比如一台电脑主板,最主要的是CPU,其次是逻辑存储器,这些都是数字化器件,但对自然环境的检视,如对声音信号、对影像信号的拾取,就要依靠模拟器件。将信号输出给人类感知,同样离不开模拟技术,比如将声音放大输出,图像显示等。就是目前最先进的LCD显示,虽然是用数字技术实现,但为了达到更佳显示效果改用LED背光,对LED背光的控制实际又回到模拟方式。另外对交流电源的转换利用,对电池的电压变换和充放电也是模拟技术应用的重要方面。目前IC制造已经进入65纳米时代,逻辑IC普遍落后一个世代,不同数字器件有不同的制程,所以需要不同的供电电压,因此更需要电源管理这一模拟技术。所以说随着数字技术的发展,模拟技术分布于数字技术周边,与数字技术密不可分。数字技术与模拟技术比较如下：

在整个模拟IC中,电源管理IC又扮演着非常重要的角色。除了省电、低耗电的可携式产品日趋普及,新兴替代能源,如太阳能、生物能源等节能环保等,包括面板驱动IC、LDO、白光背光源LED驱动IC、充电装置CMOSSennor或是等已成为模拟IC业者开始投入的领域,如何通过更低耗电的设计以减少电力的消耗,及更轻薄短小和更低价钱已成为厂商努力的方向。电源IC可以说是单价不高,但责任重大。

2007年全球IC产值约在2200亿美元,模拟约占400亿美元,其中电源IC占模拟IC的19%。2008年全球IC的增长率约为8%,模拟IC的增长率约为13.5%,高于IC平均增长率,而电源IC增长率达到20%,又高于模拟IC增长率,可见电源管理IC的最佳配角的重要性。

3、应用发展

电子技术的快速发展表现在小型化、节能环保、功能强大、价格下降等方面,对电源管理提出新的挑战,具体有以下几个特点：

封装要求

由于产品散热要求更高,需要将新型、小型的封装技术引人到电源产品中。另外对于功能整合,SiP可能在SoC尚未成型之前,成为一个重要的解决方。SiP是将不同的芯片或其它组件,通过封装制程整合在一个封装模块内,以执行相当于系统层级的功能。

良好的服务

因电源IC通用型都不强,作为配套产品与整机厂协作,一是要说服人家采用,二是需要提供良好的服务。

其他对电源的要求有高性价比、生产的可靠性等。另外从目前产业状况来看,电源管理IC的设计人才,要比数字IC缺乏,而且电源IC需要的知识面和经验度更高。

值得一提的是数字电源芯片产品,近两年来该产品一直是业界关注的焦点,但却叫好不叫座,市场推广应用一直没有实现高速发展,而且从目前来看数字电源在近一两年仍然难有大的突破。首先是因为下游厂商对数字电源芯片的认可、评估、产品设计和量产规模采购等都需要一定时间,其次是数字电源芯片本身在响应速度、成本和面积等方面可能和传统模拟电源芯片相比存在一定差距,还有就是设计人员本身的习惯,以及使用数字电

源的产品设计复杂程度等问题。此外,由于目前数字电源供应商较少,销售渠道开拓远远不够,所有这些因素都可能成为数字电源大规模推广应用的障碍。

整合电路设计

目前各种功能高度的整合已经成了电子产品的宿命,如现在的手机就将通信、PDA、GPS、电视等集成在一起,要避免相互间的干扰,需要电源也随之改变。

虽然整合模拟和数字电路的SoC设计概念日益普及,但市面上号称的SoC芯片却因数字、模拟制程整合不易、成本过高和效能不若预期,因而形成高整合度和高效能间的两难,因此部分模拟电路如电源管理IC在短期内并不适合作整合,仍将持续独立于SoC芯片之外。

电源转换效率提升

不同的半导*程需要不同的供电电压,形成多而广得输入电压,对电源管理提出挑战。而且新的替代能源的使用,以及节能环保的要求加强电源管理功能。

手机中电源IC的应用

手机是电源管理IC最为重要的应用场合。多媒体和3G手机对高画质视频、多媒体数据流、音频播放、更清晰的显示及更多娱乐等需求不断提升,但这些功能却会大量消耗电源,其中绝大多数的电源电压并不相同,随着电流需求不断增加,使得它们需要更多电能,例如从2G语音电话升级到3G视讯电话后,对功率需求便增加一倍。在同一手机中融人更多元化的功能,其功率消耗也会随之增加,这是未来电源管理芯片发展的明确趋势。

由于手机大量采用LDO来为手机各个部件进行供电,LDO虽然具有成本低、封装小、外围器件少和噪音小的特点,但其转换效率低,且只能用于降压的场合,加上LDO效率取决于输出/输入电压之比,在输入电压为3.6V、输出电压为1.5V的情况下,效率只有41.7%,这样低的效率在输出电流较大时,不仅会浪费很多电能,而且会造成芯片发热影响系统稳定性。而3G手机各个部件需要多个电压等级的供电,在很多情况下,尤其是压差大的情况下,LDO已经难以满足供电需求,因此DC/DC的解决方法成为一种取代LDO的解决方案。

DC/DC转换的优势是升、降压均适用,效率又高,目前已经有自动PFM/PWM方式和用DC/DC+LDO双模式的电源管理解决方案,虽然无论哪种方案成本都将高于LDO,但的确能够解决LDO低效和只能用于降压的问题,未来3G手机产量的提高和手机电源管理功能的提升,将在一定程度上刺激手机电源管理IC市场的发展。

大电流/低输出电压的应用

由于数字芯片的时钟越来越快,意味着驱动电流越来越大,以前只需要线形稳压,现在就需要开关式稳压,以前仅需要一相电源,现在就需要两相或多相电源。另外CPU由于速度越来越快,散热已成为其发展的瓶颈,因此采用多核心技术,英特尔已经在规划80个core的CPU,对电源要求更高。

4、选择指南

选择电源IC不仅仅要考虑满足电路性能的要求及可靠性，还要考虑它的体积、重量、延长电池寿命及成本等问题。这里给出一些选择基本原则，供参考。

1、优先考虑升压式DC/DC变换器

采用升压式DC/DC变换器不仅效率高并且可减少电池数（减小整个电源体积及重量）。例如MAX1674/1675高效率、低功耗升压式DC/DC变换器IC，其静态电流仅16μA，在输出200mA时效率可达94%，在关闭电源时耗电仅0.1μA，并可选择电流限制来降低纹波电压。

2、采用LDO的最佳条件

当要求输出电压中纹波、噪声特别小的场合，输入输出电压差不大，输出电流不大于100mA时采用微功耗、低压差（LDO）线性稳压器是最合适的。例如，采用3节镍镉、镍氢电池或采用1节锂离子电池，输出3.0～3.3V电压，工作电流小于100mA时，电池寿命较长，并且有较高的效率。例如采用超微功耗线性稳压器BAW03A～06A，其静态电流仅1.1μA，输出电压有1.2、1.3、1.4、1.5、1.7、1.8、2、2.1、2.3、2.5、2.7、.28、2.9、3.0、3.1、3.2、3.3、3.4、4.0、4.2、4.3、4.5、5.0、5.8、6.0V，可供用户选择，输出电流30mA～50mA。MAX8867/8868输出噪声为30μVrms。而另一种低功耗、低压差LDO器件GMT7250，其静态电流180μA，输出100mA时压差小于85mV。该器件温度稳定性好，典型值为31ppm/℃，并且有电源工作状态信号输出及关闭电源控制。该器件有固定电压输出：3.3V、4.85V、5.0V三种，并且可外接两电阻来设定输出电压，输出电压范围为1.2～9.75V，输出电流可达250mA，适合大多数便携式产品应用。

3、需负电源时尽量采用电荷泵

便携式仪器中往往需要负电源，由于所需电流不大，采用电荷泵IC组成电压反转电路最为简单，若要求噪声小或要求输出稳压时，可采用带LDO线性稳压器的电荷泵IC。例如，MAX1680/1681，输出电流可达125mA，采用1MHz开关频率，仅需外接两个1μF小电容，输出阻抗3.5Ω，有关闭电源控制（关闭时耗电仅1μA），并可组成倍压电路。另一种带稳压输出的电荷泵ICMAX868，它输出可调（0～-2×VIN），外接两个0.1μF电容，消耗35μA电源电流，可输出30mA稳压的电流，有关闭电源控制功能（关闭时耗电仅0.1μA），小尺寸μMAX封装。

4、不要追求高精度、功能全的最新器件

电源IC的精度一般为±2%～±4%，精度高的可达±0.5%～±1%，要根据电路的要求选择合适的精度，这样可降低生产成本。功能较全的器件价格较高，所以无需关闭电源功能的或产品中无微处理器（μP）或微控制器（μC）的则无需选择带关闭电源功能或输出电源工作状态信号的器件，这样不仅可降低成本，并且尺寸更小。

5、不要“大马拉小车”

电源IC最主要的三个参数是，输入电压VIN、输出电压Vo及最大输出电流Iomax。根据产品的工作电流来选择：较合适的是工作电流最大值为电源IC最大输出电流Iomax的70～90%。例如最大输出电流Iomax为1A的升压式DC/DC变换器IC可用于工作电流700～900mA的场合，而工作于20～30mA时，其效率则较低。如果产品有轻负载或重负载时，最好选择PFM/PWM自动转换升压式DC/DC变换器，这不仅在轻负载时采用PFM方式耗电较小，正常负载时为PWM方式，而且效率也高。这种电源IC有TC120、MAX1205/1706等。

6、输出电流大时应采用降压式DC/DC变换器

便携式电子产品大部分工作电流在300mA以下，并且大部分采用5#镍镉、镍氢电池，若采用1～2节电池，升压到3.3V或5V并要求输出500mA以上电流时，电池寿命不长或两次充电间隔时间太短，使用不便。这时采用降压式DC/DC变换器，其效率与升压式差不多，但电池的寿命或充电间隔时间要长得多。

注意事项：

DC/DC变换器中L、C、D的选择

电感L、输出电容C及续流二极管或隔离二极管D的选择十分重要。电感L要满足在开关电流峰值时不饱和（开关峰值电流要大于输出电流3～4倍），并且要选择合适的磁芯以满足开关频率的要求及选择直流电阻小的以减少损耗。电容应选择等效串联电阻小的电解电容（LOWESR），这可降低输出纹波电压，采用三洋公司的有机半导体铝固体电解电容（一般为几十～几百毫欧）有较好效果。二极管必须采用肖特基二极管，并且要以满足大于峰值电流为要求。

5、产业状况

电源管理IC产业应该是一个新兴的产业,近几年成长率最高的企业达到70%,整体复合增长率达到30%。

电源IC厂家不像数字IC被欧美几家大厂所垄断,比如英特尔垄断了CPU市场的80%,电源IC的厂商比较多和分散,关键是找到自己的位置。我国*有11家电源管理IC厂商,是电源管理IC重要产业基地。*厂家生产规模较大,产品较为齐全,年产值基本达到上亿美金。*主要电源管理IC厂家产品比重如下表：

电源管理IC产品项目

电源管理IC应用领域

大陆地区约有10家企业。主要厂商有昂宝、长运通、美芯、芯源、中芯微、启达等,大陆厂商产品功能较专,起点不高,还没形成很大的规模,但各有特色,如昂宝新颖的“频谱扩展”（frequencyshuffling）专利技术被应用在其大部分IC中,大大改善了系统EMI性能和系统设计的简约性,减少了待机功耗。此外,为了响应“环保”要求,昂宝还推出了绿色节能的AC/DC电源控制芯片,其AC电源适配器、充电器、通信用开关电源、一体化的LCDTV及显示屏背光电源系统等不仅能显著提高开关电源系统在轻载与满载下的能量转换效率,还直接符合近年的各项省功要求。

欧美有模拟产品的半导体大厂几乎都涉足了电源管理IC领域,如国家半导体、德州仪器、美信、飞兆、安森美半导体、Intersil、理光、意法半导体等。

从全球整个电源Ic产业格局来看,还是欧美厂商统领天下。*地区厂商得利于与晶圆代工业者和系统厂商的良好关系,也处于良好发展期。大陆厂商在一批归国学者带领下,正在迎头赶上。