DC/DC转换器：市场稳定增长，产品技术持续创新
[发布时间]：2008年11月28日
[来源]：潘九堂
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【导读】： 封装、电压和电源架构等技术变化推动着DCDC转换器的发展，以满足高转换效率、小尺寸、高功率密度、低压大电流、动态反应迅速、输出电压种类多元化和高可靠性等苛刻要...
封装、电压和电源架构等技术变化推动着DC/DC转换器的发展，以满足高转换效率、小尺寸、高功率密度、低压大电流、动态反应迅速、输出电压种类多元化和高可靠性等苛刻要求。然而，电子产业普遍面临的成本和上市时间压力，正在改变这一切。无论是DC/DC转换器供应商还是OEM的设计师们，都在架构、成本、效率、集成度之间反复权衡。
2004年对于全球DC/DC转换器产业是一个不错的年头，主要供应商都预计有两位数增长。在热潮不减的宽带接入市场、3G的部署，以及VoIP和POE(以太网供电)等新兴领域推动下，未来这一市场仍将持续稳定增长。市场研究机构Darnell Group的数据显示，2004年全球嵌入式DC/DC转换器的出货量预计为1.21亿只，未来将保持11%的年增长率，到2008年达到1.85亿只。
“3G的部署、企业存储、电信IP网络和数据通讯网络的增长，将推动DC/DC转换器市场持续增长，预计2005年全球DC/DC转换器模块市场将增长3-10%，这取决于各国电信运营商的部署。”SynQor公司中国区经理孙永骅表示。他预计SynQor今年的全球收入将同比增长40-50%，除产品线和客户群的扩大外，SynQor的成功还来源于其对亚洲市场的重视。
对DC/DC转换器市场前景乐观的还有英联电子的副总经理乔宗标，他指出，由于3G需求出现、宽带接入产品(xDSL、LAN和无线)、城域网和企业网络的快速发展，2005年电源产品市场将会稳定增长。虽然不少业界人士期待3G等新兴市场将推动新兴电源产品和技术的推广，乔宗标却指出，由于系统设备的研发周期普遍比较长(6~24个月)，再加上一个得到市场认可的过程，所以除了企业级网络设备市场外，其它应用市场增长推动的仍然是3~4年前流行的上一代电源模块产品的销售。
与孙永骅和乔宗标的乐观相比，艾默生网络能源有限公司大客户系统部总经理王军则稍显悲观。他预计2005年电源模块市场总需求量基本与2004年持平或小幅增长，但由于价格下滑因素，未来几年销售额将出现下滑。作为中国电源模块市场主要供应商之一，该公司预计2004年其电源模块在中国大陆的销售将突破人民币4亿元。
电源架构创新不断，FPA和IBA争宠
分布式架构(DPA)是目前应用最为广泛的电源架构，而中间总线架构(IBA)解决了DPA功能重迭的问题，减低了成本，近年来渐渐流行。作为DPA的改良性架构之一，IBA把变压及隔离功能分到中间总线转换器(IBC)，IBC把半稳压的总线电压转为一个稍稍高于负载点的中间电压，再由较便宜的非隔离负载点转换器(niPOL)进行稳压。
但Vicor公司却对IBA架构不以为然。其高级应用工程师刘广缘认为，IBA存在几项严重缺点不易克服：一是总线转换器需靠近niPOL，仍占去不少电路板面积；二是niPOL不备隔离作用而使负载面对潜在高压危险，不隔离在电路上布线也较困难，需注重回路环路、噪声耦合等难题；三是中间总线电压难以统一。
于是，Vicor公司另立门户，重新对DPA架构进行了改良，并于2003年推出分比式电源架构(FPA)。这种架构由预稳压模块(PRM)和电压转变模块(VTM)组成。PRM只有稳压功能，VTM则执行变压和隔离功能。PRM可接受宽广的输入电压，把它转换为一个稳压的分比总线电压(Vf)，再传给VTM端的POL。另外，负载变化可由反馈电路反馈给PRM，由PRM调控分比电压，实现新的稳压。
Vicor公司亚太区市场经理Kitty Wong介绍说，自2003年问世以来FPA架构获得了广泛的关注，目前已经有少量客户在使用，另外还有很多客户就FPA进行应用研发和测试。据悉，由于对FPA架构的认同，索尼获得了Vicor有关分比式电源架构、VI芯片及专利授权。对于FPA架构的前景，英联电子的乔宗标评论说，FPA是与IBA并列的两大新兴架构之一，由于目前FPA的应用仍然较少，因此还难以预测是否会成为未来的主流架构。他还表示，由于DC/DC转换器的应用领域主要还是数据通讯，而该市场面临着巨大的成本压力，成本低的IBA架构可能更有优势，因为中间电压选择和效率在数据通讯领域并不是大问题。Kitty Wong则针锋相对地说，相比IBA架构集中在数据通讯市场，FBA架构的应用更为广泛。
由于对FPA架构仍持观望态度，英联电子目前研发重点是对现有架构的产品进行改进。英联电子推出的IBA系列产品——Tarzan/IBA的输入电压范围为10~14V，最大输出电流16A，满载效率为92%。此外，英联电子最新的Tarzan系列产品中标准11引脚的SIP电源模块尺寸只有2.0*0.32*0.5in3，最大输出电流达到16A，输入电压范围为3.0~5.5V，输出电压范围达到0.75~3.3V；而且Tarzan系列还提供电特性相同、体积更小(1.3*0.53*0.32in3)、SMT安装方式的产品。
成本和效率同等重要，供应商理性迎合客户需求
正如乔宗标所说，成本已经成为DC/DC转换器客户关注的焦点，尤其是数据通讯市场。对此孙永骅表示，SynQor更看重产品的性价比和客户的使用成本。他解释说，客户付出的成本不仅是购买DC/DC转换器的费用，还包括使用过程中由产品质量和可靠性问题引发的维护费用，甚至是因为质量问题带来的公司声誉损失。因此，SynQor除了通过自动化生产和将控制器件更高程度集成等手段降低产品本身的成本外，还积累了一套很全面的客户拥有成本计划公式，以确保客户成本最低。
除现有的1/2砖、1/4砖、1/8砖和负载点产品外，SynQor将推出更高功率的全砖产品和更低功率的1/16砖产品。该公司计划2005年第二季度推出输入电压为36-75Vdc的1/16砖产品，其输出电压为1.0-12Vdc，最大输出电流为25A。此外，SynQor还看好IBA与POE(Power Over Ethernet)市场。
和SynQor的理性对待成本一样，艾默生在追求转换效率方面也很务实，关注客户实际应用中的需求。艾默生最新DC/DC转换器模块的效率最高点都出现在50～60%的负载下，例如1/8砖系列产品的半载效率达到93%左右，据称这个数字在业界是遥遥领先的。王军介绍说：“根据我们所了解的客户应用情况，一般对于开放式的砖型模块，客户的普遍实际使用范围在70%负载以下，这样我们的产品在实际应用中就会表现出明显的优势。” 在过去的1年多里，中国本地电源模块厂商北京新雷能新开发了1/8砖单路、1/4砖单/双路输出模块，以及150W、300W、600W高压输入模块等系列产品，并对其成熟的电路进行了改进，包括降低变换器内部所用器件应力、改善输入输出特性、提高转换器的效率，以进一步提高系统的可靠性和模块的EMC特性。该公司总经理王彬表示，其模块电源功率密度可达348W/inch3、输出电压可达0.75V、MTBF可达500×104hr、输出纹波可降低到输出额定电压的1%以下，采用一级滤波即可达到传导CLASS B的水平。
集成还是分立？可靠性和上市时间压倒一切
目前PCB空间非常有限，推动电源模块走向更高程度的集成。一些供应商在新推出的产品中，将DC/DC转换器、高频MOSFET、PWM控制器和其它控制功能集成在单一的SIP器件中，以降低成本和节省空间。例如美信推出的降压型DC/DC转换器MAX1556/MAX1557内部集成了低导通电阻MOSFET开关管和同步整流器，可最大限度地提高效率和降压转换性能，并减少外围元件数目。该系列器件采用小型3×3mm、10引脚QFN封装，适用于数码相机、手机、PDA、掌上电脑及其他便携式设备。
对于这种集成的方案，主要DC/DC模块厂商都表示出了谨慎的态度。艾默生的王军表示：“这种集成PWM控制器和功率MOSFET的模式，势必成为将来模块电源产品的一种发展趋势，但是要将这种方案大批量应用于主流电源模块厂商的产品中，还要有很长的路要走。”
他指出，存在的主要障碍是有三点：一是主流的IC厂商和MOSFET厂商差距比较大，紧密联合有问题；二是MOSFET和IC的芯片工艺差别大，集成度不容易做高，而且工作温度也有差异，产品的可靠性和量产稳定性是问题；三是对于用户，可以外部采取的手段有限，从目前的PWM控制芯片来看，不需要在外围电路来弥补芯片问题的几乎没有，今后如果一旦集成，芯片的许多固有问题就会反映到模块的特性上，这一点无论模块厂商还是最终用户都不能接受。
SynQor的孙永骅也指出，在PCB空间非常有限、功率较低的数字电路中，这可能是个好主意，特别是IBA这类应用中需要多个电压和电流。但是在高功率应用中，较之电源模块外添加数字控制电路，这种集成方案将面临更为严峻的功率损失、热性能和气流等难题。在很多情况下，这些控制电路最好是在电源模块外。即使是在低功率应用中，由于每块板的要求有差别，设计师常常希望可以灵活使用一些他们自己的控制电路。
孙永骅还透露说，SynQor目前正在研发使用DSP和ASIC实现目前控制器件的功能，目前研发工作已经开展了一年多，预计两年内会产品化。与现有技术相比，新的方案更为简洁，成本更低。
北京新雷能的王彬也表示：“这种集成解决方案仅限于用量较大的专用场合，如果进行系统扩展，必须重新开发器件。随着数字控制技术的成熟，PWM控制电路和控制器周边的保护电路进行数字集成是一个发展趋势，它的扩展性比功率和控制集成要好得多。”
模块电源厂商所面临的另一个挑战是系统设计人员为了降低成本，直接选择半导体公司的解决方案，而不是成品电源模块。乔宗标表示，由于要求产品面市时间的越来越短，就要求系统设计人员将时间尽量分配在系统的核心和最主要的增值部分。电源子系统是整个系统工作的基础，但是它不是系统的核心，也不会体现系统设计人员知识价值，所以成品电源模块是加快系统设计的利器；而在系统规模较小、处理能力相对较低的边缘设备市场中(如L2以太网交换机)，受系统成本压力的约束，设计人员多数情况下将会选择在PCB直接完成电压转换，而不是选择成品电源模块；此时对于具体工程技术人员的挑战将是如何在短时间内选择一个成本可控、交货及时、设计成熟可靠的方案。
乔宗标强调，即使是系统设计人员选择了半导体解决方案，为了保证交货及时和设计成熟可靠，通常也还会选用成品电源模块作为备选方案，因为任何两个半导体公司提供的方案都不能互换。
孙永骅也指出，电源模块产品已经非常成熟，主要厂商的产品都保持引脚兼容，替代灵活，使用风险低。他再一次强调，成本并不只是反映在BOM表上，要考虑包括风险和可靠性在内的综合成本。他还表示，对于低功率的应用场合，考虑到成本，半导体方案有一定市场。而对于16A、20A或者更大功率应用，系统设计人员需要面临很多的技术难题，模块电源仍然是理想的选择。
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