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面向智能化和物联网的电源解决方案

发布时间:2018-12-28 01:06:07 文章来源:未来智讯    
    面向智能化和物联网的电源解决方案作者:未知   摘要:未来半导体在电源管理的应用与创新主要在工业物联网、网络通讯、汽车电子、可穿戴设备/便携式医疗设备等方面。本文采访众多企业,分享其在电源IC领域发展趋势及解决方案。本文网络版地址:http://www.eepw.com.cn/article/271637.htm
  关键词:电源;节能;物联网;功率器件;电源管理IC
  DOI:1 0.3969/j.issn.1005-5517.2015.3.002
  2014年,中国集成电路市场规模首次突破万亿大关,达到了创纪录的10393.1亿元,同比增长13.4%,如图1所示。与此同时,2014年,中国中国电源管理芯片市场实现销售额532.8亿元,市场规模实现12.1%的大幅增长,如图2所示。
  赛迪顾问韩晓敏表示:未来半导体在电源管理的应用与创新主要在工业物联网、网络通讯、汽车电子和可穿戴设备/便携式医疗设备等方面。
  工业物联网:十三五期间,伴随着中国工业升级的需求释放以及工业4.O战略的实施,工业物联网将成为中国集成电路家当发展的一个重点领域。届时,以前端的传感器到中后端的无线互联、嵌入式处理器、智能电源管理等集成电路产品都将获得巨大的市场机会。在工业领域,相对照与消费电子产品的小型化集成化和低功耗趋势,电源管理IC产品更加注重平安性与稳定性。
  网络通讯:以通讯基站、数据中心等为代表的网络通讯市场在十三五期间仍将是电源管理IC重要的细分市场。中国4G LET网络已经全面铺开建设,未来将会进一步升级到SG。随着云计算和大数据技能的不时推进,十三五期间各种相关服务提供商对数据中心的建设将会是电源管理市场的重点之一。此外,小型基站设备将会是网络通讯市场的热点之一,低功耗和高度智能化的电源管理IC将会是其中最主要的模块之一。
  汽车电子:中国的汽车工业发展迅速,汽车产品的升级换代加速,带动汽车电子产品中的电源管理IC增长。尤其是新能源汽车的发展,电源管理IC将成为影响其普及程度的关键因素。高度集成的电源管理模块将实现更低的系统成本、更高的可靠性以及更低的系统复杂性。
  可穿戴设备/便携式医疗设备:随着智能手机的普及,移动终端在下一阶段的方向将更进一步向小型化便携化和专业功能化发展,目前的智能手环、智能手表便是代表之一。电源管理IC将进一步在低功耗技能上取得进展。无论是采取新的制造工艺还是采取更加优化的设计策略,更低的功耗仍将是电源管理IC在消费电子类产品上最为重要的目标。同时,随着大健康家当的蓬勃发展,作为集成电路产品在医疗行业最集中的体现,便携式医疗电子设备市场也将进入高速发展期。在传统便携式医疗电子之外,医疗电子与便携式电子设备的联合也将成为行业的热点。同样,电源管理IC在该细分市场的应用仍将以低功耗方向为主。
  凌力尔特:能量收集
  在我们的周围存在着许许多多的环境能量,实现能量收集或节能的传统方法一直是借助太阳能电池板和风力发电机。只是,新的收集工具允许我们利用各种各样的环境能量源来产生电能。例如:热电发生器可将热量转换为电力、压电元件可转换机械振动、光伏元件用于转换阳光(或任伺光子源)、而流电元件( galvanism)则可从湿气实现能量转换。这就有可能给远程传感器供电,或者对电能存储器件(例如:电容器或薄膜电池)进行充电,以便微处理器或发送器可以无需本地电源而接受远程供电。
  但是,恰是在功率谱的“低”端(这里,WSN、IoT禾口传感器中的毫微功率转换变得越来越普遍)才需要那种能够使用相当低的功率和电流的电源转换IC。这些通常分辨是几十微瓦(μW)功率和几十纳安(nA)电流。只是,此类事务电流低于1μA的电源转换产品(包括电池充电器)的供货源却是极其有限的。
  一般地说,要想被上述这些应用所接纳和选取,电源转换IC必需具备的本能特征包括:
  低待机静态电流――常常小于6谬A,并可低至450nA
  低启动电压――可低至20mV
  高输入电压能力――高达34V(连续)和40V(瞬态)
  可以处理AC输入
  当然,由环境收集源所提供的收集能量取决于电源事务多久。因此,对照能量收集电源的主要衡量标准是功率密度,而不是能量密度。能量收集系统的可勤奋率一般很低、随时变化且不可预测,因而常常选取了一种与能量收集器和一个辅助电能储存器相连的混合结构。收集器(由于能量供给不受限制和功率不足)是系统的能量源。辅助电能储存器(一个电池或一个电容器)可产生较高的输出功率,但储存的能量较少,它在需要的时候供电,其他情况下则定期接收来自收集器的电荷。所以,在没有可供收集功率的环境能量时,必须选取辅助电能储存器给WSN、IoT设备或传感器供电。当然,从系统设计人员的角度来看,这进一步增加了复杂性,因为他们如今不得不考虑:必须在辅助电能储存器中储存几多能量,才能补偿环境能量源的不足。
  LTC3388-1/-3是一款能接受20V输入的同步降压型转换器,其可提供高达50mA的连续输出电流,选取3mmx 3mm(或MSOP10-E)封装,见图4。该器件在2.7V至20V的输入电压范围内事务,因而相当适用于多种能量收集和电池供电型应用,包括“保持运作”的传感器和工业抑制电源。
  Dialog:尺寸小、功耗低和集成度高的解决方案
  物联网包含许多产品、技能和应用。但就设备数量而言,物联网市场的最大细分市场包含由微型电池或能量收集系统供电的小型便捷式或可穿戴电子设备。这些设备中有许多都会收集传感器数据,这些数据经处理后通过接入节点或网关发送至互联网,作为该数据链的第一个环节,需要使用一种或多种无线协议。
  对于哪些无线协议有可能在物联网世界占据主导地位方面,存在许多争辨。然而,大多数行业观察家认为Bluetooth Smart(智能蓝牙)将是许多应用下的协议之选,尤其是抵消费性产品,因为这种情况下许多互联网连接是通过智能手机网关进行的。智能手机、机顶盒、电视和许多其他消费性电子产品已经包含蓝牙无线电收发器,Bluetooth Smart与Wi-Fi相比不但功耗低,而且更平安。据分析公司IHS预测,到2015年底,每个移动平台都将预装Bluetooth SmartReady功能。   半导体创新的焦点集中于降低传感器、处理器和无线电收发器的能耗,同时坚持足够的处理能力和无线电本能,以满足执行任务的要求。功能集成是实现功耗最小化的重要策略之一。如果蓝牙无线电收发器中的基带处理器有充足的资源来同时运行应用程序,就不但可以最大限度减小解决方案的尺寸,还能同时降低其成本和能耗。当然,集成必须与有效的电源管理结伴而行。执行每项具体任务的片上资源必须在需要时得到充足的电力。甚至有可能按照任务需要的本能对处理器进行‘调优’,动态抑制其时钟速度,进而抑制其本能。
  Dialog半导体公司低能耗连接和VoIP市场总监Mark Murphy: DialogSemiconductor设计和制造SmartBondTM系统芯片(SoC)。这些芯片是全球尺寸最小、功耗最低的Bluetooth Smart解决方案,其中每个芯片都集成了蓝牙低能耗无线电收发器和ARMCortex-MO应用处理器以及智能电源管理。这些器件的尺寸(2.5mmx2.5 mm, WLCSP封装)和功耗惟有最接近竞争产品的一半,并且只需要五个外部元件就能构成完整的托管式(hosted) Bluetooth Smart解决方案。对ARM处理器的访问可通过32个GPIO进行。功耗要求如此之低,以致某公司甚至为糖尿病患者开发了一种智能笔式注射器,笔帽的卸下和重新安放就能产生足够的能源来让SmartBondSoC捕获胰岛素的精确注射剂量,并将该数据发送至一个智能手机应用程序。
  ams:传感器主导的超低功率系统将会脱颖而出
  许多技能无论是从宏观还是微观上都将不时取得飞速发展,包括更智能的电源管理IC和HVAC系统,都将取得突破性进展,拥有巨大影响力的智能能源技能将变得越来越重要。由传感器主导的超低功率系统解决方案将是企业在竞争中脱颖而出的关键。
  环境光传感、接近感知及手势传感技能将深入应用于三大领域:针对智能手机和物联网连接设备的消费市场:车载娱乐及导航发展日益成熟的汽车市场:成像技能及传感器集成快速发展的医疗/工业市场。ams发现各类低功率可见光传感器正得到越来越多地应用,未来传感器也会扩展到光谱其他领域,尤其是红外线光。
  此外,由超小型低功率主动放大技能和天线自动调谐技能实现的非接触式支付,可以带来平安和可靠的NFC支付,适用于任何手机的票务,以及可穿戴产品等一系列广泛的高度集成设备,引领又一次伟大的创新。
  ams(艾迈斯)中国区总经理张建臣:ams广泛的先进传感器解决方案是解决一系列设计挑战的理想选择,可应用于智能手机、最先进的医疗及工业设备、智能家届和汽车、非接触式支付、健康与保健等诸多领域,这些都将在高附加值的新兴物联网市场中起到至关重要的作用。面对物联网应用市场的未来发展,ams认为除了需要具备提供无与伦比的高精确度、宽动态范围、高灵敏度及超低功耗解决方案的能力,也需要深入明白物联网市场不时发展过程中的特殊需求并思索该市场未来发展的需求。ams在光学传感器领域具有强大的竞争力,主要来自公司对新的红外光谱学领域的研发,以及传感器与数字处理、扩充的滤波器装置、纳米光子学以及先进光学产品系列的集成。
  ADI:智能化和物联网两个大方向
  “十二五”打算中很重要的两个观念和工业市场有关,第一个便是智能化,智能能源和智能电网。“十二五”中重点建设的智能电网给了企业很多商机,特别是在电网的输电和配电环节,对ADI来说是重点的垂直市场。第二个便是物联网的观念,所谓物联网便是把很多的传统器件,包含工业器件,连接到数字化和互联网这个平台上来。所以,在工业自动化上,ADI会有比原来更多的投资,会看到更多的增长。
  ADI公司市场经理张鹏先生表示,ADI针对物联网新近推出了AD9361无线收发模拟前端。AD9361是一款高本能、高度集成的RF Agilelranscelver―捷变收发器。该器件的可编程性和宽带能力使其成为多种收发器应用的理想选择。该器件集RF前端与灵活的混合信号基带局部为一体,集成频率合成器,为处理器提供可配置数字接口,从而简化设计导入。AD9361事务频率范围为70 MHz至6.OGHz,涵盖大局部特许执照和免执照频段,支持的通道带宽范围为不到200kHz至56MHz。该器件能够用于small cell/Femtocell等微基站的设计。便于安装调试以实现工场自动化。
  ADI对于智能化工场的产品主要在工业组网上。ADI可提供从4~20mA、RS-232、RS-485、CAN、LVDS等多种工业通信协议的芯片,能够支持隔离与非隔离、工业温度范围、含DC-DC隔离电源等技能:还有一些支持短距离无线通信技能,提供高本能的、可涵盖不同频段的射频芯片;另外对于工业以太网技能,ADI也在新的处理器中加以考虑。这些芯片都给工业组网带来很大的便利。
  Intersil:电源技能已在物联网的推广
  日用电子产品的智能化和联网最后将使物联网成为一个价值数十亿美元的商机。但物联网如今仍是一个不成熟的终端市场,需要针对各种终端设备的互联标准和完善的软件生态系统。但有几点是明确的;移动电话是物联网的主要推动因素,它是访问由互联终端设备提供的数据中枢,另外我们需要大量骨干基础设施来支持不时增加的网络负载和数据存储。从更大的背景来看,据估计移动通讯量将在五年内(到2017年)增加12倍。到2017年,联网设备的数量有望达到地球人口数量的三倍之多。
  Intersil在电源管理领域的专长是许多物联网应用的重点所在。随着系统功能的增加,电源效率变得尤为重要,电源管理成为目前最重大的设计挑战之一。通过在过去十年间所累积的核心设计能力,Intersil的创新可以为最挑剔的应用节省功率。我们已经将该知识产权转化为能显著延长电池续航时间的新产品。例如,ISL98611是首款将显示电源和背光LED驱动器集成于单个芯片的电源管理IC。它显著增进了这两项功能的效率,使智能手机电池续航时间增加一小时或更长时间。这对用于集中收集各种始终在线的物联网应用程序来说至关重要。   对于像Intersil这样的半导体公司而言,物联网的骨干很有可能成为最具挑战性和富有成果的应用领域之一。电源的有效设计便是要克服既要使网络高效运行,又要保持其冷态并且仍然坚持系统的可靠性和高密度之间的矛盾。
  随着互联的物联网终端设备越来越多的得到了最大的关注,行业起初充分理解这些终端设备对带宽和存储需求的影响,物联网所需的基础设施数量和节点增加也同样受到了同等程度的重视。就网络的这两个方面而言,Intersil的电源技能已在物联网的推广方面发挥着关键作用。
  金升阳:新能源汽车DC-DC发展趋势
  新能源汽车主要包括插电式混合动力汽车、纯电动汽车等。与传统汽车相比,这些新能源汽车更多地需要DC/DC转换器对电压进行转换、逆变。新能源汽车DC/DC转换模块的技能走势主要是基于终端客户的需求。目前,除了TS16949体系要求汽车电子企业满足汽车终端客户需求外,各大车企还制定了自己的汽车企业标准。
  广州金升阳科技有限公司FAE高级工程师奉启珠表示,终端客户对照关注以下几个方面的技能发展趋势:
  (1)事务环境要求:因为电机等发热器件的原因,事务环境温度较高,要求DC/DC转换器操作环境温度从常规的85度至少升级到105度,最后要求125度;能够参考IS016750环境可靠性标准。
  (2)输入电压:在汽车点火时,车载电池电压会跌落,导致DC/DC转换器启动电压低于常规电压的输入范围,例如12V电池设计为6.5-18V(常规为9-18V);
  (3)抗震性:汽车行驶的路面可能不平,因此要求DC/DC转换器抗振动性强。一般要求10-55Hz,10G,30Min.along X,Y andZ。
  (4)EMC:因为汽车内部的电气设备相当多,靠近人体,且人在车内的停留时间长,因此对于电磁兼容性要求极高。这块能够参考的标准也相当多,如:IS0 7637、IS0 11452,GB/T 17626. GB 13837。
  (5)器件规范:汽车级DC/DC转换器内部使用的器件满足AEC-Ql00/101/200的测试规范。
  金升阳是最早在混合动力汽车和电动汽车市场发力的DC/DC转换器厂商,自2008年起初,金升阳就与海外一线汽车厂商合作开发汽车级DC/DC转换器,积累大量研发设计、生产制造、应用与失效分析经验,产品和方案都相当成熟稳定可靠,得到了市场的认可,这些都不是短时间可以做到的。例如:电机抑制器解决方案
  使用温度-40℃~+105℃
  隔离电压3000VAC、隔离电容lOpF
  正负输出:15V/-8.OV
  高容性负载能力,支持峰值电流正负5A
  开环设计无过冲
  输出短路保护自恢复
  除此之外,金升阳为新能源汽车行业提出BMS产品解决方案、空调抑制器ECU解决方案和智能充电机解决方案等较为典型的隔离式DC/DC转换器解决方案,汽车产品的可靠性要求高、需求各异,具体设计时多与FAE沟通,能够借鉴很多应用经验,规避应用风险,提升整个系统的可靠性。
  Altera:下一代PRGA的供电挑战
  作为电子系统的心脏器件,电源一直以来都是应用市场关注的焦点。电源的发展方向能够归结为三方面:小型化;高效、高可靠性;智能化或者数字化。其中数字化尤为重要。因为如今处理器的本能大大增强了,同时其电压数值也大大降低了。例如,从前一个FPGA的内核电压供电是2V或者1V,如今很多FPGA的核心电压惟有0.9V或o.8v。如何确保电源稳压器可以输出如此低的电压值,同时又可以达到0.5%或者1%的电压稳压精度?挑战在于电压精度越来越难实现,例如1V电压,若达到0.5%精度,需要稳压的电压值惟有5mV,很可能一个噪声(即纹波)就可能要达到5mV。而传统的模拟抑制环境很难实现这么高的稳压精度,或者在时效上有一些误差。惟有通过数字化的电源管理能够解决这一点。 例如,对于Altera第十代FPGA和嵌入式处理器来说,一个是对电流的要求越来越高,对功耗要求更低,二是高速系统对噪声抑制更严格,三是随着工艺节点抵达20nm和14nm后,电压在不时降落。
  所谓数字电源,是在其中投入了数字的内核(例如DSP和处理器),有一个通讯的接口和主处理器相连接,它能够和主处理器进行双向通讯。而模拟电源使用的是模拟抑制器。数字电源可能还有内存,内存事先储存了多个预先设置的配置。和传统的模拟的解决方案相比,它的效率更高,波纹更低,对瞬态响应速度更快。
  Altera在其FPGA Enpirion电源解决方案中增加了30A PowerSoC DC-DC降压转换器。30A EM1130是其集成数字DC-DC降压转换器系列的第一款产品,为Altera的第10代FPGA提供电源管理功能,特别是Arria 10和Stratix 10FPGA内核以及收发器电源轨。Altera公司全球业务开发总监Patrick Wadden称,该产品也能够支持其他厂商的FPGA,还有一些高端的ASIC/SoC、嵌入式处理器、内存和SSD厂商等。
  TI:组合方案可满足差异化需求数字电源
  谈到数字电源,德州仪器(TI)非隔离电源全球市场总监JamesMacDonald说,数字电源的优势是可实现复杂的电压调节。一般分为数字电源抑制器、带数字接口的电源稳压器,数字电源时序器和数字热插拔抑制器等。TI的优势是有业内广泛的数字电源IC产品组合,并且有市场上唯一一款PMBus负载点稳压器,具有电流高达30A的集成式FET。
  为了简化数字电源设计,近日,TI推出了数字电源BoosterPack,与TI的F28069 LaunchPad开发套件组合使用,即可简化对降压转换器的抑制。其集成了C28x实时处理内核以及精密抑制外设的TI F2806x MCU,由9V电压供电运行,消除了高电压系统开发的风险,并由powerSUITE图形化软件工具提供支持,可助力功率调节器、不间断电源、AC/DC电源和太阳能逆变器等数字应用。宽Vin DC/DC转换器
  另外,TI还在模拟电源技能上不时突破,包括两款新的宽Vin(输入电压)DC/DC转换器。具体地,支持Fly-BuckTM功能的65V同步降压转换器号称业内首款,它在无需光耦合器(因无需光耦,因此英文是“Fly”)的情况下,仍可提供高达15W的隔离式偏置电源。作为Fly-Buck电源产品组合的部件之一,LM5160A提升了功率密度,并且以更高效和可靠的方式解决了工业和汽车应用中较高的功率需求。例如,LM5160A转换器特有无需环路补偿的恒定接通时间抑制,并用快速瞬变响应支持高降压比。此外,相对于传统反激式解决方案,这款转换器也简化了设计事务。
  零待机功耗:符合75W AC电源的PSR
  电源适配器插在插座上,即使没有给手机、平板电脑等用电器充电,仍在耗电。因此,在高功率AC/DC电源的低待机功耗PSR(初级侧稳压)方案方面,现有初级侧稳压电源的主要设计局限在于:如何在保持低待机功率的情况下仍然保证较高的瞬变响应本能。为此,TI推出了业内首款可应用于75W功率的AC/DC反激式电源的零待机功耗抑制器芯片集,待机功耗堪称业内最低。新的UCC28730初级侧稳压(PSR)反激式抑制器具有700V启动开关和UCC24650唤醒监视器,可将电源效率提升到全新水平。它还支持5~24V输出电压,可以帮助设计人员为电视、家用电器、AC适配器、通风供热和空调系统(HVAC),以及楼宇自动化系统创造更小巧、更高效的电源。首款选取QFN封装的GaN半桥功率级
  GaN被称为第三代半导体材料,相比于第一代Si和第二代GaAs等,GaN的优势是能够最大限度地提高功率密度。然而,过去基于GaN的电源设计面对的一大挑战是与驱动GaNFET有关的不确定性,以及由封装方式和设计布局布线所导致的寄生效应。为此,TI近日发布了业内首款80v半桥GaN FET模块LMG5200,是全集成GaN FET功率级原型机,可帮助电源设计人员迅速明白GaN的极致优势。此次原型机由位于四方扁平无引线(QFN)封装内的一个高频驱动器和两个选取半桥配置的GaN FET组成,使之相当易于设计,为空间有限且高频的工业应用和电信应用提供更高的功率密度和效率。
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