電源ic是指開關電源的脈寬控制集成，電源靠它來調整輸出電壓電流的穩定。
基本介紹
發展分類,扮演角色,套用發展,封裝要求,良好的服務,整合電路設計,電源轉換效率提升,手機中電源IC的套用,大電流/低輸出電壓的套用,選擇指南,產業狀況,
發展分類
隨著電子技術的發展, 尤其是目前攜帶型產品流行和節能環保的提倡, 電源IC發揮的作用越來越大。幾年前, 電源IC還僅僅是集成穩壓器件和DC/DC轉換器, 但現在電源IC涵蓋很多內容,包括DC/DC、LDO（低壓差線形穩壓器）、電池充放電管理、PWM控制器、Reset、PFC（功率因數校正）、節能控制、功率MOSFET等等。
電源IC分類 | 工作原理 | 作用 | 特點 | 設計難度 |
LDO | 穩壓 | 最基本的電源IC | 低輸入/輸出電壓，低消耗功率 | 簡單 |
DC/DC | 電壓變換 | 常用電源IC | 簡單 | |
PWM | 脈寬調製 | 用於手持和高級處理器產品 | 提供電壓變換所需大電流 | 複雜 |
電池管理 | 模擬技術為主，與數位技術結合 | 用於新型電池充放電，電量檢測，保護等 | 多功能整合 | 適中 |
功率MOSFET | 功率場效應管 | 用於大功率輸出 | 輸出大電流，低導通內阻 | 設計簡單，製程複雜 |
電源IC現在的發展趨勢已經不局限於單一功能，而是將各種功能整合在一起，所以電源IC目前更多的被稱為電源管理IC，或電源管理單元（PMU）。
扮演角色
目前我們最常提到的是電子產品的數位化, 比如一台電腦主機板, 最主要的是CPU, 其次是邏輯存儲器, 這些都是數位化器件, 但對自然環境的檢視,如對聲音信號、對影像信號的拾取, 就要依靠模擬器件。將信號輸出給人類感知, 同樣離不開模擬技術,比如將聲音放大輸出, 圖像顯示等。就是目前最先進的LCD顯示, 雖然是用數位技術實現, 但為了達到更佳顯示效果改用LED背光, 對LED背光的控制實際又回到模擬方式。另外對交流電源的轉換利用,對電池的電壓變換和充放電也是模擬技術套用的重要方面。目前IC製造已經進入65納米時代, 邏輯IC普遍落後一個世代, 不同數字器件有不同的製程, 所以需要不同的供電電壓, 因此更需要電源管理這一模擬技術。所以說隨著數位技術的發展, 模擬技術分布於數位技術周邊, 與數位技術密不可分。數位技術與模擬技術比較如下.
比較項目 | 模擬IC | 數字IC |
信號傳輸 | 光，聲音，速度，溫度等自然現象連續信號 | 1或0非連續信號 |
技術層次 | 設計門檻高，學習曲線10-15年 | 電腦輔助設計，學習曲線3-5年 |
產品認證與生命周期 | 認證期長（約1年以上），但生命周期也長 | 認證周期短（約3-個月），但生命周期也短 |
替代性 | 低 | 高（可用標準產品替代） |
產品特點 | 少量多樣 | 量多樣少 |
產品套用 | 電源管理，音視頻放大，信號轉換與監控 | 邏輯運算處理與控制，數位訊號編碼與解碼 |
ASP（平均零售價格） | 低但穩定 | 因時效性而變化 |
在整個模擬IC中, 電源管理IC又扮演著非常重要的角色。除了省電、低耗電的可攜式產品日趨普及, 新興替代能源, 如太陽能、生物能源等節能環保等, 包括面板驅動IC、LDO、白光背光源LED驅動IC、充電裝置CMOS Sennor或是等已成為模擬IC業者開始投入的領域, 如何通過更低耗電的設計以減少電力的消耗, 及更輕薄短小和更低價錢已成為廠商努力的方向。電源IC可以說是單價不高, 但責任重大。
2007年全球IC產值約在2200億美元, 模擬約占400億美元, 其中電源IC占模擬IC的19%。2008年全球IC的增長率約為8%, 模擬IC的增長率約為13.5%, 高於IC平均增長率, 而電源IC增長率達到20%, 又高於模擬IC增長率, 可見電源管理IC的最佳配角的重要性。
套用發展
電子技術的快速發展表現在小型化、節能環保、功能強大、價格下降等方面, 對電源管理提出新的挑戰, 具體有以下幾個特點：
封裝要求
由於產品散熱要求更高, 需要將新型、小型的封裝技術引人到電源產品中。另外對於功能整合,SiP可能在SoC尚未成型之前, 成為一個重要的解決方。SiP是將不同的晶片或其它組件, 通過封裝製程整合在一個封裝模組內, 以執行相當於系統層級的功能。
良好的服務
因電源IC通用型都不強, 作為配套產品與整機廠協作, 一是要說服人家採用, 二是需要提供良好的服務。
其他對電源的要求有高性價比、生產的可靠性等。另外從目前產業狀況來看, 電源管理IC的設計人才, 要比數字IC缺乏, 而且電源IC需要的知識面和經驗度更高。
值得一提的是數字電源晶片產品, 近兩年來該產品一直是業界關注的焦點, 但卻叫好不叫座, 市場推廣套用一直沒有實現高速發展, 而且從目前來看數字電源在近一兩年仍然難有大的突破。首先是因為下游廠商對數字電源晶片的認可、評估、產品設計和量產規模採購等都需要一定時間, 其次是數字電源晶片本身在回響速度、成本和面積等方面可能和傳統模擬電源晶片相比存在一定差距,還有就是設計人員本身的習慣, 以及使用數字電
源的產品設計複雜程度等問題。此外, 由於目前數字電源供應商較少, 銷售渠道開拓遠遠不夠, 所有這些因素都可能成為數字電源大規模推廣套用的障礙。
整合電路設計
目前各種功能高度的整合已經成了電子產品的宿命, 如現在的手機就將通信、PDA、GPS、電視等集成在一起, 要避免相互間的干擾, 需要電源也隨之改變。
雖然整合模擬和數字電路的SoC設計概念日益普及, 但市面上號稱的SoC晶片卻因數字、模擬製程整合不易、成本過高和效能不若預期, 因而形成高整合度和高效能間的兩難, 因此部分模擬電路如電源管理IC在短期內並不適合作整合, 仍將持續獨立於SoC晶片之外。
電源轉換效率提升
不同的半導體製程需要不同的供電電壓, 形成多而廣得輸入電壓, 對電源管理提出挑戰。而且新的替代能源的使用, 以及節能環保的要求加強電源管理功能。
手機中電源IC的套用
手機是電源管理IC最為重要的套用場合。多媒體和3G手機對高畫質視頻、多媒體數據流、音頻播放、更清晰的顯示及更多娛樂等需求不斷提升, 但這些功能卻會大量消耗電源, 其中絕大多數的電源電壓並不相同, 隨著電流需求不斷增加, 使得它們需要更多電能, 例如從2G語音電話升級到3G視訊電話後, 對功率需求便增加一倍。在同一手機中融人更多元化的功能, 其功率消耗也會隨之增加, 這是未來電源管理晶片發展的明確趨勢。
由於手機大量採用LDO來為手機各個部件進行供電,LDO 雖然具有成本低、封裝小、外圍器件少和噪音小的特點, 但其轉換效率低, 且只能用於降壓的場合, 加上LDO效率取決於輸出/輸入電壓之比, 在輸入電壓為3.6V、輸出電壓為1.5V的情況下, 效率只有41.7%, 這樣低的效率在輸出電流較大時, 不僅會浪費很多電能, 而且會造成晶片發熱影響系統穩定性。而3G手機各個部件需要多個電壓等級的供電, 在很多情況下, 尤其是壓差大的情況下, LDO已經難以滿足供電需求, 因此DC/DC的解決方法成為一種取代LDO的解決方案。
DC/DC轉換的優勢是升、降壓均適用, 效率又高, 目前已經有自動PFM/PWM方式和用DC/DC+LDO雙模式的電源管理解決方案, 雖然無論哪種方案成本都將高於LDO, 但的確能夠解決LDO低效和只能用於降壓的問題, 未來3G手機產量的提高和手機電源管理功能的提升, 將在一定程度上刺激手機電源管理IC市場的發展。
大電流/低輸出電壓的套用
由於數字晶片的時鐘越來越快, 意味著驅動電流越來越大, 以前只需要線形穩壓, 現在就需要開關式穩壓, 以前僅需要一相電源, 現在就需要兩相或多相電源。另外CPU由於速度越來越快, 散熱已成為其發展的瓶頸, 因此採用多核心技術, 英特爾已經在規劃80個core的CPU, 對電源要求更高。
選擇指南
選擇電源IC不僅僅要考慮滿足電路性能的要求及可靠性，還要考慮它的體積、重量、延長電池壽命及成本等問題。這裡給出一些選擇基本原則，供參考。
1、優先考慮升壓式DC/DC變換器
採用升壓式DC/DC變換器不僅效率高並且可減少電池數（減小整個電源體積及重量）。例如MAX1674/1675高效率、低功耗升壓式DC/DC變換器IC，其靜態電流僅16μA，在輸出200mA時效率可達94%，在關閉電源時耗電僅0.1μA，並可選擇電流限制來降低紋波電壓。
2、採用LDO的最佳條件
當要求輸出電壓中紋波、噪聲特別小的場合，輸入輸出電壓差不大，輸出電流不大於100mA時採用微功耗、低壓差（LDO）線性穩壓器是最合適的。例如，採用3節鎳鎘、鎳氫電池或採用1節鋰離子電池，輸出3.0～3.3V電壓，工作電流小於100mA時，電池壽命較長，並且有較高的效率。例如採用超微功耗線性穩壓器BAW03A～06A，其靜態電流僅1.1μA，輸出電壓有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，可供用戶選擇，輸出電流30mA～50mA。MAX8867/8868輸出噪聲為30μVrms。而另一種低功耗、低壓差LDO器件GMT7250，其靜態電流180μA，輸出100mA時壓差小於85mV。該器件溫度穩定性好，典型值為31ppm/℃，並且有電源工作狀態信號輸出及關閉電源控制。該器件有固定電壓輸出：3.3V、4.85V、5.0V三種，並且可外接兩電阻來設定輸出電壓，輸出電壓範圍為1.2～9.75V，輸出電流可達250mA，適合大多數攜帶型產品套用。
3、需負電源時儘量採用電荷泵
攜帶型儀器中往往需要負電源，由於所需電流不大，採用電荷泵IC組成電壓反轉電路最為簡單，若要求噪聲小或要求輸出穩壓時，可採用帶LDO線性穩壓器的電荷泵IC。例如，MAX1680/1681，輸出電流可達125mA，採用1MHz開關頻率，僅需外接兩個1μF小電容，輸出阻抗3.5Ω，有關閉電源控制（關閉時耗電僅1μA），並可組成倍壓電路。另一種帶穩壓輸出的電荷泵IC MAX868，它輸出可調（0～-2×VIN），外接兩個0.1μF電容，消耗35μA電源電流，可輸出30mA穩壓的電流，有關閉電源控制功能（關閉時耗電僅0.1μA），小尺寸μMAX封裝。
4、不要追求高精度、功能全的最新器件
電源IC的精度一般為±2%～±4%，精度高的可達±0.5%～±1%，要根據電路的要求選擇合適的精度，這樣可降低生產成本。功能較全的器件價格較高，所以無需關閉電源功能的或產品中無微處理器（μP）或微控制器（μC）的則無需選擇帶關閉電源功能或輸出電源工作狀態信號的器件，這樣不僅可降低成本，並且尺寸更小。
5、不要“大馬拉小車”
電源IC最主要的三個參數是，輸入電壓VIN、輸出電壓Vo及最大輸出電流Iomax。根據產品的工作電流來選擇：較合適的是工作電流最大值為電源IC最大輸出電流Iomax的70～90%。例如最大輸出電流Iomax為1A的升壓式DC/DC變換器IC可用於工作電流700～900mA的場合，而工作於20～30mA時，其效率則較低。如果產品有輕負載或重負載時，最好選擇PFM/PWM自動轉換升壓式DC/DC變換器，這不僅在輕負載時採用PFM方式耗電較小，正常負載時為PWM方式，而且效率也高。這種電源IC有TC120、MAX1205/1706等。
6、輸出電流大時應採用降壓式DC/DC變換器
攜帶型電子產品大部分工作電流在300mA以下，並且大部分採用5#鎳鎘、鎳氫電池，若採用1～2節電池，升壓到3.3V或5V並要求輸出500mA以上電流時，電池壽命不長或兩次充電間隔時間太短，使用不便。這時採用降壓式DC/DC變換器，其效率與升壓式差不多，但電池的壽命或充電間隔時間要長得多。
注意事項：
DC/DC變換器中L、C、D的選擇
電感L、輸出電容C及續流二極體或隔離二極體D的選擇十分重要。電感L要滿足在開關電流峰值時不飽和（開關峰值電流要大於輸出電流3～4倍），並且要選擇合適的磁芯以滿足開關頻率的要求及選擇直流電阻小的以減少損耗。電容應選擇等效串聯電阻小的電解電容（LOW ESR），這可降低輸出紋波電壓，採用三洋公司的有機半導體鋁固體電解電容（一般為幾十～幾百毫歐）有較好效果。二極體必須採用肖特基二極體，並且要以滿足大於峰值電流為要求。
產業狀況
電源管理IC產業應該是一個新興的產業, 近幾年成長率最高的企業達到70%, 整體複合增長率達到30%。
電源IC廠家不像數字IC被歐美幾家大廠所壟斷, 比如英特爾壟斷了CPU市場的80%, 電源IC的廠商比較多和分散, 關鍵是找到自己的位置。我國台灣有11家電源管理IC廠商, 是電源管理IC重要產業基地。台灣廠家生產規模較大, 產品較為齊全, 年產值基本達到上億美金。台灣主要電源管理IC廠家產品比重如下表：
電源管理IC產品項目
立裿 | 類比科技 | 致新 | 茂達 | 崇茂 | |
PWM(AC/DC） | 88% | ||||
PWM(DC/DC） | 35% | 68% | 3% | 8% | |
LDO | 46% | 2% | 40% | 40% | |
MOSFET | 40% | ||||
Switch | 20% | ||||
Amplifier | 10% | 10% | |||
Other | 19% | 30% | 27% | 2% | 12% |
電源管理IC套用領域
立裿 | 類比科技 | 致新 | 茂達 | 崇茂 | |
Mobile | 15% | 5% | 18% | 10% | 15% |
LCD | 3% | 80% | 18% | 37% | |
NB | 53% | 10% | 10% | ||
MB/VGA | 39% | 55% | 26% | ||
DSC | 8% | 9% | 7% | 5% | |
Storage | 29% | ||||
Other | 17% | 6% | 7% |
大陸地區約有10家企業。主要廠商有昂寶、長運通、美芯、芯源、中芯微、啟達等, 大陸廠商產品功能較專, 起點不高, 還沒形成很大的規模, 但各有特色, 如昂寶新穎的“ 頻譜擴展”（frequency shuffling）專利技術被套用在其大部分IC中, 大大改善了系統EMI性能和系統設計的簡約性, 減少了待機功耗。此外, 為了回響“ 環保”要求, 昂寶還推出了綠色節能的AC/DC電源控制晶片, 其AC電源適配器、充電器、通信用開關電源、一體化的LCD TV及顯示屏背光電源系統等不僅能顯著提高開關電源系統在輕載與滿載下的能量轉換效率, 還直接符合近年的各項省功要求。
歐美有模擬產品的半導體大廠幾乎都涉足了電源管理IC領域, 如國家半導體、德州儀器、美信、飛兆、安森美半導體、Intersil、理光、意法半導體等。
從全球整個電源Ic產業格局來看, 還是歐美廠商統領天下。台灣地區廠商得利於與晶圓代工業者和系統廠商的良好關係, 也處於良好發展期。大陸廠商在一批歸國學者帶領下, 正在迎頭趕上。
