電源管理IC在物聯(lián)網(wǎng)需求下的應(yīng)變之道

如果把處理器和傳感器分別比作是電子設(shè)備的“大腦”和“五官”，那么電源管理IC就是電子設(shè)備的“心臟”，其重要性不言而喻。從市場規(guī)模來看，1998-2005年全球電源管理IC的年復(fù)合增長率達(dá)到15%。最近幾年，電源管理市場隨著筆記本電腦、平板、手機(jī)市場的飽和而逐漸放緩;現(xiàn)如今，隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，電源管理IC的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸從消費(fèi)電子、網(wǎng)絡(luò)通信延伸至汽車電子、新能源、智能硬件等領(lǐng)域，或許會迎來新的市場爆發(fā)契機(jī)。

然而電源管理IC在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代也不可避免地遇到一些問題。一方面，傳統(tǒng)的電源管理IC逐漸無法實(shí)現(xiàn)低輸出電壓范圍的精準(zhǔn)穩(wěn)壓、快速動態(tài)響應(yīng)、遠(yuǎn)程監(jiān)控等來匹配高性能芯片的功能需求;另一方面，由于物聯(lián)網(wǎng)具備體量巨大但市場碎片化、應(yīng)用分散化的特性，如何通過提升電源管理IC的設(shè)計(jì)靈活性和簡易性來加速產(chǎn)品上市時(shí)間，以及根據(jù)應(yīng)用需求做定制化成為電源管理IC需要直面的難題。通過采訪國際國內(nèi)外知名的電源管理IC企業(yè)，發(fā)掘電源管理IC會哪些新“招式”來應(yīng)對物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展需求。

1.好鍋配好蓋，數(shù)字化、定制化電源管理IC匹配碎片化的物聯(lián)網(wǎng)訴求

物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，功能越來越強(qiáng)大的服務(wù)器、通信設(shè)備等產(chǎn)品推動了半導(dǎo)體工藝技術(shù)不斷升級，體積小、性能強(qiáng)大的芯片要求電源管理IC能提供更智能的控制環(huán)路、更快速的動態(tài)響應(yīng)、更高的電壓反饋精度以及更簡化的外圍電路布局設(shè)計(jì)。面對這些要求，擁有集成度高、快速響應(yīng)、設(shè)計(jì)靈活、可控性強(qiáng)等優(yōu)勢的數(shù)字電源技術(shù)備受青睞。

舉個(gè)例子，無人機(jī)在空中飛行時(shí)的環(huán)境瞬息萬變，要想實(shí)現(xiàn)無人機(jī)的動態(tài)平衡，除了應(yīng)用磁性角度傳感器(Angle Sensor)來確保馬達(dá)運(yùn)動的平穩(wěn)以及24G/60G雷達(dá)定位的配合使用，數(shù)字電源IC的作用也至關(guān)重要。因?yàn)樵陲w行中，數(shù)字電源IC要能夠精確而迅速地分配不同的動態(tài)電壓到螺旋槳的直流無刷電機(jī)，進(jìn)而控制不同螺旋槳的旋轉(zhuǎn)力度來保證飛機(jī)的平穩(wěn)飛行。這個(gè)時(shí)候，數(shù)字電源快速響應(yīng)、在輸出電壓范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)極高精確穩(wěn)壓的優(yōu)勢在無人機(jī)上凸顯的淋漓盡致。

隨著物聯(lián)網(wǎng)各種電源管理IC應(yīng)用領(lǐng)域的不斷延伸，對數(shù)字電源IC的需求更加差異化，針對不同應(yīng)用做數(shù)字電源IC定制化成為未來的發(fā)展趨勢之一。

關(guān)于電源管理IC的定制化趨勢，Altera的Enpirion電源產(chǎn)品中國區(qū)高級業(yè)務(wù)經(jīng)理張偉超指出，電源管理IC廠商需要認(rèn)真傾聽不同類產(chǎn)品系統(tǒng)芯片的需求，加強(qiáng)與數(shù)字組芯片廠家的溝通合作。只有這樣，電源IC的目標(biāo)設(shè)計(jì)規(guī)格才顯得更有意義，這種為系統(tǒng)性能需求而定制的電源設(shè)計(jì)最終能為產(chǎn)品性能、功耗優(yōu)化做出巨大的貢獻(xiàn)。

加強(qiáng)主芯片廠商與電源管理IC廠商合作以滿足定制化需求，似乎遠(yuǎn)不如并購來的簡單粗暴，近些年國外的一系列市場并購案例更是佐證了這一點(diǎn)：高通收購Summit、Altera收購Enpirion、Microchip收購Micrel、MTK收購Richtek、Altera收購ZMDI的數(shù)字電源控制器部門等等。相比于國外的并購動作連連，盡管2015年以紫光集團(tuán)為代表的中國半導(dǎo)體企業(yè)和產(chǎn)業(yè)資本大舉海外出擊，但鮮有關(guān)于對優(yōu)秀電源管理IC 企業(yè)的收購案例來彌補(bǔ)國內(nèi)在數(shù)字電源管理的不足。

圖1：國外主芯片廠商收購電源管理IC廠商案例

2.降低物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)門檻，電源管理IC逐漸高度集成化、模塊化

集成度越來越高無疑是半導(dǎo)體的發(fā)展趨勢，特別是近年來半導(dǎo)體SoC化的趨勢帶動了電源管理IC的模塊化發(fā)展。電源管理IC的模塊化可以提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)的靈活性和簡易性，簡化外圍電路，同時(shí)縮短開發(fā)周期，降低系統(tǒng)開發(fā)成本，給電源管理IC帶來的好處顯而易見。

以數(shù)字電源IC為例，“目前數(shù)字電源技術(shù)在高壓應(yīng)用市場的主要方案包括：采用硬編碼的數(shù)字IC、采用單獨(dú)的微控制器等方案。但是前者在靈活性方面，以及后者在BOM成本方面，依然是阻礙數(shù)字電源在眾多終端設(shè)備中使用的主要因素。”英飛凌電源管理及多元化市場事業(yè)部中國區(qū)總監(jiān)梁錦文表示，“英飛凌推出的.dp數(shù)字電源平臺，內(nèi)置CPU、高低邊驅(qū)動以及高壓啟動等多項(xiàng)可設(shè)置的模擬和數(shù)字功能，大大提高設(shè)計(jì)的靈活性和系統(tǒng)性能。而且由于外圍電路簡單、設(shè)計(jì)周期短，還可以減少系統(tǒng)的綜合成本，加快將新產(chǎn)品推向市場的步伐。”

.dp數(shù)字電源平臺為LED驅(qū)動電源設(shè)計(jì)帶來便利，英飛凌照明IC營銷負(fù)責(zé)人Ulrich Vom Bauer表示：“采用了英飛凌的數(shù)字化控制器，LED驅(qū)動電源可以在生產(chǎn)結(jié)束時(shí)才確定產(chǎn)品規(guī)格，這能為客戶帶來更大的靈活性，因?yàn)樗麄儾槐卦倩ㄙM(fèi)很大代價(jià)去設(shè)計(jì)新的產(chǎn)品型號。借助.dp digital power 2.0，開發(fā)時(shí)間最多可縮短70%，因此，客戶能顯著加快將新產(chǎn)品推向市場的步伐。”

圖2：英飛凌的.dp數(shù)字電源平臺以及兩款芯片

3.延伸用武之地，拓展農(nóng)業(yè)、樓宇等特定應(yīng)用領(lǐng)域

先進(jìn)的電源管理IC固然很好，但是某些特定的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場合，傳統(tǒng)的供電方式并不能很好地支撐電源管理IC的運(yùn)行，可謂是巧婦難為無米之炊。且看傳感器在下面幾個(gè)特定場合遇到的阻礙案例：

1.在智能樓宇包括用電、用水以及相關(guān)安全操作等狀況監(jiān)測運(yùn)用中，需要把傳感器安裝在各個(gè)樓層的不同位置上來收集數(shù)據(jù)。如果采用有線供電布線復(fù)雜，成本會非常高，而采用無線供電方案的電池又必須定期更換，維護(hù)難度大、人工成本高;

2.智慧農(nóng)業(yè)中的傳感器安裝在戶外，對電源的續(xù)航能力和穩(wěn)定性要求更高;

3.家用煙霧報(bào)警器中的溫度、濕度、氣體等傳感器電池的使用壽命只有一年左右，在電量耗盡又不知情的情況下會有嚴(yán)重的安全隱患。

由此可見，電源管理IC除了自身內(nèi)功的修煉，可支持低成本、易安置、免維護(hù)的供電方式對電源管理IC及其應(yīng)用也極其重要。賽普拉斯模擬產(chǎn)品市場經(jīng)理李冬冬指出，“隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，下一代傳感器需要超低功耗能量收集電源管理芯片方案，這種方案將通過光、振動或熱能實(shí)現(xiàn)器件的自供電。”

針對這些難點(diǎn)，“賽普拉斯提供一個(gè)完整的、無電池的能量收集套件方案，包括一個(gè)電源管理芯片、EZ_BLE PRoC模塊以及軟件。這個(gè)方案讓能量收集系統(tǒng)達(dá)到1.2 µWmax的啟動功率,250nA 的靜態(tài)電流，可以使用1x1cm2的太陽能面板在100lux光照情況下使能量收集系統(tǒng)負(fù)載得到最大的能量，實(shí)現(xiàn)自供電。方案中的EZ-BLE PRoC模塊，可以簡化能量收集系統(tǒng)負(fù)載的傳感、處理以及通信功能;免費(fèi)提供Easy DesignSim? 在線仿真軟件，則可以簡化能量收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)以及能量收集系統(tǒng)負(fù)載的計(jì)算。”李冬冬進(jìn)一步說道。

圖3：賽普拉斯能量收集PMIC達(dá)到1.2 µWmax的啟動功率, 250nA 的靜態(tài)電流，可以使用1x1 cm2的太陽能面板在100lux光照情況下實(shí)現(xiàn)自供電。

總結(jié)：電源管理IC作為物聯(lián)網(wǎng)終端的“心臟”其重要性日益凸顯，但也與挑戰(zhàn)并存。定制化、數(shù)字化、模塊化為電源管理IC這顆“心臟”打開各種“心竅”，新的供電方式則讓“心臟”更有動力，可在惡劣環(huán)境下“生存”。