电源管理半导体技术的现状及其趋势分析

电力半导体和电力电子器件两个名词几乎是同义词，功率MOSFET的出现逐步改变了对功率半导体的传统理解。原有的电力电子器件，基本上是一种服务于电力、大电机传动和工业应用的器件。用电力来称谓功率以后，使从事电力电子技术的人，习惯于将这些大功率器件看作功率半导体的主体。但功率MOSFET却使电力电子应用进入了许多中小功率的范围，近二十年来，形成了以通信、电脑、消费电子、汽车(即所谓4个C)为中心的新的电力电子应用领域。为了驱动MOS型器件，高压集成电路(HVIC)也随之出现，这也就是功率集成电路(Power IC)的开始。

---图1是根据iSuppli的关于2004年电源管理半导体的预测所画出的各类半导体器件在产值方面所占的份额。图2是进一步将电源管理集成电路所包含的内容作一个简单的介绍，这也是引自iSuppli的介绍。

---这里我仍想特别强调说明的是：在我国现阶段，各种类型的晶闸管正在为我国的大规模经济建设起着巨大的作用。最鲜明的例子是西电东输，南水北调，大量的机车应用等，其气势之大，说明我国的大功率半导体器件的发展正遇上了最佳时机。而我国的有关研制者，在长期的努力下，也已逐步攀上了世界的技术高峰。虽然就世界而言，晶闸管的产值所占的比例不大，但并不能说明它的重要性已经减弱，而相反，它正在成为我国最近科技发展中的一个值得骄傲的方面。图3把电力半导体和电源管理半导体的理解作了一定的联系，我们可以看到，电力半导体最早的代表是整流元件和可控硅。之后又向特大功率发展并不断在电力等部门扮演着关键角色。而大量的新型电源管理半导体则推动了新兴的4C产业，我这里特别以同步整流作为例子，来说明它们和原来的整流和可控硅行业是一脉相承的。从这个意义上来说，电力半导体和电源管理半导体只是从两个不同的侧面来描写功率半导体的结果。

---本文采用电源管理半导体这个用语，是因为本文侧重于介绍功率半导体近年来在4C等方面的发展。而当今世界各种类型电子杂志，以及各个相关公司的产品介绍，电源管理半导体已经是普遍使用的用语。它突现了一个特点，即大量电源管理IC卷入电源应用，而单纯地把电源管理半导体等同于分立器件的时代已经过去。iSuppli在2003年介绍电源管理半导体时归纳出一个概念：电源管理半导体主要是指用于电源及功率控制中非线性应用的功率半导体，它包括了功率IC(Power IC)及部分分立器件。以 2002年为例，电源管理半导体的市场约占当年整个半导体市场的9%，模拟IC的21%，分立器件的60%。这样一种提法也有一些缺陷，因为实际上这些年，一些专用数字IC也已加入了电源管理半导体的队伍。近来数字控制功率也已提到日程，它可以使控制更为精确和敏感。这些都说明电源管理半导体的范围还在进一步扩大中。

二 电源管理半导体蓬勃发展的原因

---最近一篇短文有趣地把电源管理半导体描述为半导体界的灰姑娘。这说明电源管理半导体长期以来被认为是半导体界的一个不起眼的配角。但近来忽然发现当整个半导体界的发展出现停滞时，电源管理半导体往往能继续保持两位数的增长，成了颇为受人青睐的角色。本文想就电源管理半导体飞速发展的原因作一些探讨。

---多年前，我提到过电力电子是节能的王牌，这些年来证明：节能确实始终是电力电子或电源管理这个行业蓬勃发展的原因。世界当前有两个耗能的主要领域：电机和照明。两者消耗的能量几乎占全球电能消耗的70%。我国每当酷热的夏天来临，常常引起电能短缺，这说明空调制冷设备已是我们能量最大的消耗源之一。所以大力发展以电源管理主导的变频空调，已成为十分迫切的问题。过去因为变频空调价格较高，使其市场长期徘徊在空调市场的百分之七或八的程度。从整个国家来看，就不能以每家每户计算如何节省足够电费来迅速抵消变频和一般空调的差价问题。而应该以一定的政策去鼓励低能消耗产品的发展。例如美国就有由电力部门补偿节电产品的措施。当前不仅是空调，就连冰箱、洗衣机也都在向变频方向变化。这是因为变频电器除了节电外，还有低噪声等优点。在照明方面，现在已到处可买到以20W的能量取代75W照明的节能灯。有很多功率IC可使这些节能灯取得更长的寿命和更好的性能，包括调光和保护视力的功能等。正在发展中的混合电源汽车，也将是节能的一个重要方向，这些都是电源管理正在积极地发展的一些方面。

---但作为电源管理而言，我们所看到的，不仅是着眼于节电大户，而更必须注意到一些小功率的消费电器对节电的迫切要求。当前消费电器要求做得越来越小，所以对电源管理半导体的要求就更高了，因为电池的容量及改进是有限度的。因此有人认为消费电器的这种要求，是支持电源管理半导体持续上升的主要原因之一。它既是节电的要求，也是portable(手提式)产品的特殊要求。而这些正是电源管理半导体的主要服务方向。

---我们可以这样理解，电源管理半导体是和极大数量的客户联系着的。它已浩浩荡荡地进入了几乎每一种电子产品。让我们想像：全国每年正在生产约5000万台空调，2000万台洗衣机，3000万台冰箱，4000万台微波炉，6500万台彩电(各种数字的，大屏幕的)，16 000万个手机，5000万台个人计算机。包括当前大家都热衷的数码相机、MP3、iPod等，那将需要动用多少半导体IC及器件去操作它，其中又需要有多少电源管理半导体去推动和管理这些器件。这里面存在着极大的商机。据报道，近年来世界的集成电路市场，信息类占55.1%(通信+计算机)，消费类占17%，工业控制占9.5%，汽车占8.4%。而 IR公司的电源管理半导体市场：信息类占47%、消费类占16%、汽车类占19%、高可靠占 17%、工业占7%。看来两者有相似之处。此外从各处提供的数据来看，我国的半导体市场大概是世界市场的18%～20%，当然这个比例正在逐步增大。而从电源管理半导体来 看，中国市场占世界市场大致为18%。这两个例子都说明：由于电源管理半导体经常和整个半导体配套，所以其各种比例也常常是相似的。

---当然更重要的不仅是数量的驱动，而是当微处理器按Moore律不断使半导体制造工艺变得更为精细时，功率问题处理不当就会成为发展的瓶颈。因此实际上正在逐步把发展的压力转嫁到电源管理半导体上了。下一节将具体介绍电源管理半导体的一些典型产品。

三 电源管理半导体的具体实例

---电源管理半导体的分布之广，很难做出详细介绍，今以若干具体实例，分几个方面来介绍近年来发展的形形色色的电源管理半导体。从中我们也可看出当代的电源管理半导体和原有单纯的分立器件之间的差异。下面给出从包装的创新、多芯片模块和芯片组的发展来介绍在通信和电脑应用方面的发展。又从电机节能应用的新平台，来介绍电源管理半导体在家电及精密工业应用的新发展。

---现在按图4逐一做出较为详细的介绍。图中的第一排虽然仍是分立器件，但它们和常规的分立器件相比，有很大的不同。FlipFET是把MOSFET元件倒置，即芯片的各电极直接焊在线路板上。它的特点是硅芯片的面积就等于包装的面积，所以十分节省线路板的空间。适合于特别需要节省空间的电器，如手机等。另外它的焊接与集成电路当前流行的BGA(球栅阵列)有很大相似之处。DirectFET也是一个倒置器件，源极和栅极直接焊在线路板上，而它的漏极则是焊在一个铜盖上。所以它是MOSFET第一次应用了传统电力电子器件的双面散热结构，因此大大增强了单位面积上的电流。这种元件当前得到了用户的极大欢迎。

---为了进一步说明图4的第二行中的组合器件，画出了图5，它是一个分立器件组成的典型的Buck电路。为便于理解，图中同时列出电路与实际的线路板，并把其中作为同步MOSFET及其反并联的肖特基标成黄色。这实际上也可以看作是组合器件FETKY，而作为控制MOFET则标成粉红色，如果把它也和FETKY组合在一起，那就是Dual FETKY。 分立器件电路有一个缺点，其寄生电感较大，当然用了组合器件后，会有所改善。

---图4的第三排开始就是芯片的更进一步组合了，在集成电路中，称为多芯片模块。图6就是把图5中的MOSFET及控制电路都组合到一个building block中来了。这里包 含了功率器件、控制用集成电路、PWM集成电路、甚至部分无源器件，采用BGA封装，这里被称之为iPOWIR，这不仅使电路简化，压缩了电路板的占用面积，电路的寄生电感也进一步缩小。

---图4的第四排则是芯片组的例子。因为CPU的发展很快，所以必须不断更新CPU电源的设计。因此就产生了一种高度灵活可扩展的电源管理集成电路架构，被称之为芯片组XPhase(见图7)，当电源需增加电流因而增加相数时，用XPhase就特别方便。因为这个芯片组中，控制IC只有一个，只要增加Phase IC及相关器件，即可增加电路的相数。 图7同时显示了线路板的背面，那就是前面提到过的DirecFET。这芯片组适用于服务器、工作站网络业务应用中最先进的微处理器。此外，还有一种称为DC Bus Converter(直流总线变流器)的芯片组，它可以作为中间环节的电源，如从48V转换到 12V的电源。

---图4中最下面一排是旨在为用户提供整体解决方案的用于家电或精密工业电机控制的平台，这里称为iMotion。在这个平台中包括了专门设计的数字IC，它可替代多功能的DSP，并大大减少编程的复杂性。其次是有关的模拟IC，以作为控制和驱动用。最后有一个被称之为Plug N Drive的直列式结构的模块，以代替常用的IPM。它是一个从 整流到逆变由多个整流元件和IGBT元件组成的模块。由此使变频调速向越来越高度集成化、小型化、高性能和高可靠化发展。