插旗數位電源市場 電源晶片商火力全開
數位電源晶片大戰愈演愈烈。數位電源應用版圖不斷擴張，相關產品設計需求也快速升溫，刺激電源供應器與電源晶片開發商加緊推出更高效能的新一代方案，搶攻數位電源商機。
根據市調機構IHS統計，2013年全球數位電源設備市場，台達電以10.3%市占率奪冠；其次是Eltek及Emerson，各自取得9.1%及8.8%市占率。另外，在晶片供應商部分，德州儀器(TI)則以9.8%市占率領先；英飛凌(Infineon)及Powervation則分別以9.6%及8.9%緊追在後。
從上述數據可看出，目前數位電源市場尚未出現任一晶片商或設備商壟斷並決定市場發展走向的一家獨大局面，頭角崢嶸的新秀及老將須不斷推出創新產品，才有機會在數位電源產業占有一席之地。
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| 圖1 凌力爾特電源產品部門產品行銷總監Tony Armstrong表示，凌力爾特正積極拓展具備PMBus介面的PSM。 |
凌力爾特(Linear Technology)電源產品部門產品行銷總監Tony Armstrong(圖1)表示，降低系統總體功耗是數位電源顯著的一項優勢。以資料中心伺服器設備為例，當系統欲降低總體功耗時，會透過重新排序工作流程，或是將部分作業交由未充分利用的伺服器設備，以使其他的伺服設備停機(Shutdown)；而精確的數位電源系統管理(PSM)方案能提供用戶設備功耗的詳細資訊，從而實現智慧能源管理決策機制。
在有多電源軌的電路板上進行電源管理的難度很高，通常需要通過示波器來幫忙，而且還經常要對印刷電路板上的元件進行重新設計加工。為了簡化上述電源管理的任務，透過數位匯流排來配置和監控功率的實作方法已愈來愈受到市場歡迎，這是運用遙測(Telemetry)技術，來設置、監控和更改功率參數，以達到電管系統管理的目的。
Armstrong指出，凌力爾特的PSM產品線正在持續成長，包括同步降壓型直流對直流(DC-DC)控制器，其整合功率場效電晶體(FET)閘極驅動器，並通過基於I2C的電源管理匯流排(Power Management Bus, PMBus)介面實現全面的電源管理功能。
事實上，PSM產品是透過PMBus介面來配置和監控的，而支援PMBus指令的多寡，則將決定數位電源擴充彈性。PMBus協定是由幾家主要的電源供應器廠商以及半導體製造商共同制定的一套電源管理通訊標準，其採用業界標準的SMBus介面作為資料的傳輸方式，主機系統只需根據單一的通訊協定即可完成電源管理系統的程式編輯、數位控制及即時監控等功能。
提高數位電源擴充彈性 IR擴大支援PMBus指令
國際整流器(IR)行銷總監Ramesh Balasubramaniam表示，高效能處理器、特定應用積體電路(ASIC)及現場可編程閘陣列(FPGA)晶片尺寸越來越小，這些深次微米技術需要足夠智慧化的電源以達到快速優化，而數位電源能則能滿足這項需求。另一個趨勢則是製造商持續精簡電源工程人員的數量，因此越來越多的系統架構人員也需要設計電源，而數位環境的標準化以及好用的數位電源對架構層面有很大的幫助。
Balasubramaniam進一步指出，若要進一步擴大數位電源市場版圖，最重要的因素是數位電源通訊介面的標準化，而PMBus是這方面的關鍵推手；有鑑於此，PMBus組織持續透過更新數位匯流排的規格來統一效能，以迎合上述發展趨勢(圖2)。
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| 圖2 最新版的PMBus 1.3規格具備適應性電壓調節技術，可增強電源管控效能。 |
也因此，許多數位電源晶片商也積極推出支援PMBus的產品，力促數位電源環境標準化的實現，包括凌力爾特、國際整流器等；而為了提高數位電源方案的擴充彈性，目前國際整流器提供的元件可以執行六十個以上的PMBus指令，較其他競爭方案更勝一籌。此外，國際整流器亦提供廣泛的產品組合，支援寬廣的電流範圍，包括從幾安培的PMBus單相整合FET轉換器，至高達數百安培的PMBus多相控制器。
Balasubramaniam補充，為了成為高效能運算市場數位電源的領導廠商，並提供完整的產品數位連接套件，實現智慧平台電源管理，國際整流器已於2011年收購CHiL Semiconductor。這項收購使國際整流器的技術能力擴展至數位功率管理平台，為運算系統、圖像、伺服器和遊戲設備等應用改善功率效率。
據悉，CHiL Semiconductor將專利的數位技術與混合訊號技術結合，提供節省能源的多相位功率解決方案。針對數位控制的相關開放式架構，讓客戶能因應成本和性能目標設計功率系統，從而顯著減少占位面積及物料清單，並將許多類比功能融合新型數位電源中。
搶攻複合型電源轉換應用商機 晶片商同步擴展MCU/DSC方案
搶攻複合型電源轉換應用商機 晶片商同步擴展MCU/DSC方案
眾所周知，數位電源供應相較於類比電源供應能提供更多的優勢。比如，在各種負載與外在環境的情況下，數位電源能提供最佳的電源效率；電源供應如果完全採數位電源技術，通常對於零件的要求較少，因此就會有較高的電源密度以及可靠性。
微芯(Microchip)MCU16部門產品行銷經理Tom Spohrer表示，為縮短設計週期時間和改善經濟規模，很多設計師會善用數位電源設計技術，透過少量設計平台去設計多元產品。數位控制電源技術不僅讓單一平台能重新設計於不同的應用，也能讓產品快速進入市場，實現高銷售量及低單價的產品。
不過，全數位的控制方式也會遇到不少問題，主要是在於成本高昂以及研發不易，為既非適用於全數位亦非全類比控制方式之間的系統應用，設下了屏障；因此，市場上便衍生出半類比半數位的複合型電源轉換方案以迎合中間市場的需求。
為了同時鞏固兩種應用市場，微芯除了推出全數位的數位訊號控制器(DSC)電源方案外，亦同時開發出整合微控制器(MCU)的複合型類比數位電源轉換方案。
以該公司的數位增強型類比電源(DEPA)控制器–MCP19118/9為例(圖3)，該元件可為同步降壓DC-DC轉換器提供簡易又高效的類比脈衝寬度調變(PWM)控制，工作電壓可達40伏特(V)，並搭配一個可配置的數位MCU。這是業界首款結合40V工作電壓和PMBus通訊介面的元件。其內建的8位元MCU核心使其具有可程式化的類比控制迴路功能，如此可實現快速的電源轉換電路開發。
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| 圖3 MCP19118配置示意圖 資料來源：微芯 |
針對更高階的應用，Spohrer則指出，目前有非常多的架構可供數位電源設計師選擇，有時候類比控制器是用來作為補償器的功能，而MCU大部分用來做為管理以及通訊功能。雖然它成本較低，但是這個方案在整個負載範圍中，較無法提供彈性還有更高的效率。
意法半導體(ST)資深行銷經理Francesca Sandrini亦認為，雖然性能正在大幅提升的MCU可能有助於數位電源市場規模擴大，但是MCU方案只適用於發展相當成熟穩定的應用市場，而對新的數位電源應用領域影響甚微；因為新的數位電源市場需要客製化的解決方案，而數位訊號處理器(DSP)或是現場可編程閘陣列(FPGA)則可滿足此需求。
微芯dsPIC DSC的GS系列正是為了全數位電源控制的需求所做的設計。這些裝置可以使用在非線性、預測和適應控制運算法以將電源效能增加至最大限度。DSC同樣讓客戶可以使用自己的控制技術並產生差異化方案，進而創造凌駕競爭對手的產品價值。
另一方面，為了降低數位電源的進入門檻，晶片商亦正積極發展開放式平台，讓不懂數位設計的類比電源工程師，也能透過簡易的使用者介面快速上手，進而設計出差異化的數位電源系統方案。
降低數位電源進入門檻 ST力拓開放式平台
Sandrini表示，在數位電源市場上，成本並不是唯一擴展市場的關鍵。傳統的電源設計人員擁有很強的類比電源背景，基本上不會有人要求類比電源工程師撰寫軟體；相反地，軟體工程師則幾乎沒有電力電子設計經驗。不過，目前開發數位電源系統的辦法，是讓有經驗的電源工程師和軟體工程師合作，然而這導致開發人員的數量增加一倍，僅有為數不多的企業能夠承擔如此龐大的研發經費。
Sandrini進一步剖析，如果想要真正地推廣數位電源技術，對於那些原本熟悉電磁設計和印刷電路板布局而不懂繪圖使用者介面(軟體發展工具)的工程師，晶片商必須針對他們的不足提供能夠使用的數位電源解決方案，使其毋須自行動手寫軟體代碼，即可獲得數位電源的技術優勢。如此一來，方能進一步降低進入數位電源市場的技術門檻。
有鑑於此，意法半導體針對電源推出專用的數位控制平台–STNRG，該平台整合硬體周邊設備和相關應用軟體代碼，在不久前又針對無線充電推出數位控制平台–STWBC，此為一個內建專用韌體的封閉式平台。
據了解，STNRG平台在單一晶片上整合數位晶片和功率區塊，其中數位晶片內建韌體(特定開關式電源專用韌體)。意法半導體不僅提供數位控制器、韌體和高壓驅動電路，還提供金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)和整流管，期能成為一站式供應商。Sandrini堅信，透過各種簡化開發流程的應用平台，將會為意法半導體帶來競爭優勢，使該公司的數位電源產品受到客戶青睞。
另一值得注意的是，提升數位電源系統的單位功率密度(Power Density)，可謂是數位電源相關供應商目前有志一同所競逐的目標；而為了達到此目的，新元件、新技術的應用開發也須加快腳步；其中，氮化鎵(GaN)MOSFET應用正漸露鋒芒。
提高數位電源功率密度 GaN MOSFET應用受矚目
為提升數位電源系統單位功率密度，包括德州儀器等電源晶片大廠已全力投入GaN MOSFET的應用效能研究。現階段，GaN MOSFET在功耗、導通電阻及電源轉換效率等方面，表現皆已可超越傳統MOSFET方案，但要大量商用仍須克服製程及成本等問題。
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| 圖4 德州儀器半導體行銷現場應用經理曾生元預測，GaN MOSFET的應用將是未來數位電源領域的研究發展方向。 |
德州儀器半導體行銷現場應用經理曾生元(圖4)表示，數位電源系統的效率都已推進到極致，如今業界所追求的是單位功率密度的提升。也就是在提供相同功率的前提下，如何縮小尺寸面積；或者是在相同尺寸面積之下，如何讓功率表現更好。
曾生元進一步指出，要提升數位電源系統功率密度的最大關鍵，在於提高脈衝寬度調變(PWM)的切換頻率。目前，市面上PWM的切換頻率幾乎在150kHz以下，普遍約介於50k?120kHz之間；而業界對於未來數位電源系統的期待，則是希望PWM的切換頻率能達到500kHz，甚至是更高的水準。
不過，要提高PWM切換頻率，首先須解決電磁干擾(EMI)問題，同時亦須改善周邊功率元件的效能，使其能輔佐PWM並與之搭配；而MOSFET的選用即是箇中關鍵。也因此，業界正積極投入研究GaN MOSFET的應用開發，期能藉此拉高PWM的切換頻率，以進一步提高數位電源系統功率密度。
事實上，矽製程的MOSFET發展已有30年之久，開始邁入性能成長的停滯期。為滿足市場對於更高功率MOSFET的期待，產官學界已開始投入GaN功率元件開發。如今，GaN MOSFET在功耗、驅動電流、導通電阻、起始電壓、電源轉換效率等方面，都已被證實能超越傳統的MOSFET技術。
不過，曾生元指出，GaN MOSFET仍有它發展的局限性，主因在於其採用的是全新製程，還未大量商用化，目前也並未被市場大量採用。許多新的GaN MOSFET應用效能研究還處於先期嘗試階段，包括數位電源系統亦然；若真的將產品推到商業市場，也還會遇到成本過高的桎梏，恐將不利於本就因成本問題而無法快速拓展應用市場的數位電源發展。
儘管如此，曾生元仍然認為，在數位電源系統中採用GaN MOSFET將是未來清晰可見的研究方向，因此包括德州儀器等電源晶片大廠，都早已投入研發資源積極探究其未來發展的可行性。
由以上探討不難看出，電源晶片商對數位電源方案的發展前景皆相當樂觀，並已積極厚實軟體和硬體產品陣容，甚至著手投入新一代GaN功率元件研發，期迎合電子產品節能減碳設計風潮，搭上綠色電子商機。
