電源管理IC的「進化」

對於電源管理IC來說，無論針對傳統還是新興應用，「進化」是一直以來的訴求。一方面隨著自身在提升集成度、模塊化、數字化不斷進階，另一方面新型應用拉升對GaN、SiC等材料需求，為電源管理IC發展注入全新動力。

文｜艾檬

校對｜慕容

圖源｜網路

集微網報道，雖然電源管理IC不像CPU、GPU那樣吸睛，但它屬於一個相對穩定的市場，如果能在這一領域深耕，那也能培育自己的「一畝三分地」。畢竟，電源管理IC不可或缺。據預測，電源IC市場規模到2023年將增長至227億美元，2018~2023年期間的複合年增長率（CAGR）將達4.6%。而一方面隨著自身在提升集成度、模塊化、數字化不斷進階，另一方面新型應用拉升對GaN、SiC等材料需求，為電源管理IC發展注入全新動力。

應用之變

對於電源管理IC來說，無論針對傳統還是新興應用，「進化」是一直以來的訴求。

德州儀器副總裁兼降壓開關電源產品業務部總經理Mark Gary認為，偏消費類的產品如筆記本、手機及可穿戴產品，對電源管理IC的要求在於尺寸更小、功率更大，以適應小型化和快充的需求。而在數據中心及工業4.0領域，對電源管理IC提出大功率需求，則需要更高的效率和更優的EMI表現。

Mark Gary舉例說，以伺服器應用為例，如需實現雲計算，則要求伺服器處理能力更強，如何在固定空間情況下實現更大的功率，從幾千瓦到30kW等等，這是電源管理IC所需要應對的。

ADI電源產品中國區市場總監梁再信分析說，工業4.0的電源管理IC著重靈活度、效率、低EMI、安全性、可靠性等等；在自動駕駛汽車領域，關鍵平台主要有激光雷達、毫米波雷達等，對雜訊和安全性要求很高；而在通信領域，針對即將到來的5G變革，最大的挑戰就是如何提高電源轉換效率。

而從市場需求來看，有分析稱通信市場讓將佔據最主要的市場份額，即將到來的5G大規模布局，將進一步提升通信領域電源管理晶元需求。於此同時，汽車電氣化以及工業4.0升級，也將成為電源管理晶元的助推劑。相對而言，消費類及計算方面應用需求有所降低。

模塊「快進」

電源管理IC的集成化、模塊化、智能化一直是前進的動力，而模塊化在內外因的相互作用下正在興起。

Mark Gary提及，電源模塊發展有兩大驅動因素，一是新工藝的導入，通過將被動元器件如電感、電容、電阻等集成，使得尺寸趨小的同時將功率提升；二是封裝的改進和創新，4-5年前很多封裝工藝採用打線的技術，而現在則採用倒裝技術，從而使得功率密度更高、EMI進一步改善。

這不僅賦予電源模塊抗EMI性好、功率密度高、更可靠等特點，Mark Gary還指出，電源模塊不僅整體尺寸變小，同時外圍要求也更簡單，不需更多的被動元器件，BOM的數量變少。此外，對於工程師來說產品開發會更便利，將加快上市進程。

而此前模塊因成本偏高而市場化推進受阻的障礙也在進一步消除。「隨著工藝和技術的發展，電源模塊與分立器件的價差已縮小，四五年前電源模塊價格是分立器件的4-5倍，現在則是1.8-1.9倍。從性價比來看，工程師認為採用電源模塊開發更方便，同時外圍器件減少也可進一步降低成本，因而市場潛力可期。」 Mark Gary十分看法電源模塊的發展，「在測試測量、醫療儀器、工業自動等需要小體積、EMI優勢的應用，均可採用電源模塊。」

而TI最新推出的電源模塊LMZM33606可謂因時而生。Mark Gary介紹其優勢時說，一是EMI特性優良，因模塊已集成電容，可將電流環路做到更小，從而滿足眾多EMI標準。二是功率密度更高。三是WEBENCH使設計變得簡單，WEBENCH支持在線設計，只需將輸入輸出參數放到WEBENCH里，就可算出所需的電容和電阻。

GaN批量

在電源管理IC市場，傳統「硅」材料遇到的極限在於在現有尺寸規格下，無法在所需的頻率下輸出更高的功率。而在諸如5G、數據中心等應用中，功率都是一個至關重要的因素。在此情形下，可在尺寸和能耗減半的條件下輸送同等的功率的氮化鎵（GaN）應運而生。

TI高壓電源應用產品業務部氮化鎵（GaN）功率器件產品線經理 Steve Tom介紹，頻率提高使體積減小是GaN顯著的優點，因這可顯著地減小變壓器、電感和電容的體積。在傳統的電壓器設計中，600V輸入一般只有100kHz頻率，變壓器體積會非常大，整體重量也大於650g。而TI的GaN產品頻率高達1MHz，是傳統頻率的10倍，因而理論上可將電感、電容的尺寸縮小10倍。

雖然GaN相比硅成本較高，但從三個方面來看，市場接受度在提高。Steve Tom分析說，一是隨著整個市場的成熟，越來越多的客戶在使用，GaN的整體價格趨勢走低；二是GaN相對傳統硅的頻率可以跑到1MHz，外圍的電感和電容尺寸可以變得更小，這也意味著更便宜，因而從整體系統來看價格越來越可以接受；三是新的工藝和封裝技術，使得成本也在趨低。相比另一新秀SiC（碳化硅），GaN可以跑到1MHz，SiC頻率只能達幾百kHz，對於大功率應用GaN會更簡單、成本更低。

Steve Tom也提到：「GaN產品將率先在一些工業和新能源的大功率應用中大量使用之後，價格往下走的趨勢會延伸到消費級市場。」

而對於GaN的可靠性問題，Steve Tom特意表示，TI在最新推出的支持高達10kW應用的新型即用型600V氮化鎵GaN LMG341x上，已做了2000萬小時的充分的可靠性測試，包括高低溫測試、過流測試等，因而，可靠性成為強有力的保障。此外，該GaN器件可將功率密度提高一倍，並將損耗降低80%，不僅實現了更小、更有效的方案，並可進一步簡化設計。

「我們確信GaN工藝、技術和產品已具備批量化生產的條件。」 Steve Tom對此充滿信心。目前TI官網不僅提供參考設計，還提供PCB布局、技術文檔和開發工具等。除全新上線WEBENCH工具之外，TI還與《電源設計基礎》的原版作者合作，將其翻譯成中文，讓客戶能學習到更多的電源知識，更方便地選型和設計，從而加快產品上市進程。Steve Tom最後強調，在GaN產品方面，TI將持續投入，未來產品會在集成度和過壓過流保護方面不斷提升，開發也將更簡便。

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