四大类应用撬动模拟芯片市场

编者按：近年来，模拟芯片公司并没有因为数字时代的到来而踯躅不前，相反，随着数字产品对模拟芯片的需求，模拟芯片得到了大规模应用。便携产品、手机、平板电视和汽车电子等四大类产品成为模拟芯片应用的主战场。 特邀嘉宾 TI中国区模拟产品销售总监 王 剑 飞兆技术行销部亚太区副总裁 王瑞兴 欧胜产品市场经理 John Crawford ST大中国区电源|稳压器及模拟器件事业部总监 Patrick Boulaud NS亚太区电源管理产品市场总监 黄汉基 NS南中国区业务总经理 何贤斌 便携产品为应用主力 王 剑 模拟电路产品可以划分为两大部分，即标准模拟产品和专用模拟产品(ASSP)。这两大类别产品的销售基本上保持着40%∶60%的比例。专用模拟芯片产品针对的应用领域是数量级比较大的应用，如手机、DVD、彩电等市场，一般的数量级在1亿件以上。这样的产品市场应用比较集中，产品集成度较高而且相对比较固定，非常适合使用专用模拟芯片产品。 但是，对于处于变化中的产品，如PMP、蓝牙耳机、IP电话等，由于标准处于演进中，商家希望在产品中增加更多的功能，此时的模拟芯片没有办法采用专用芯片提供全部功能的解决方案，只能用标准模拟芯片来补充完成，但集成度提高是大的发展趋势。 王瑞兴 当前模拟IC的发展趋势似乎类似于便携式数字电路的趋势———集成度越来越高，外形尺寸却日趋减小。此外，便携式产品要求模拟IC之间有更多的“通信”。例如，最新一代的计算机通过电压标志器设定输出电压范围来驱动CPU平台，以优化性能。因此，下一步的发展将是具有通信功能的数字电路，它有助于在原来的模拟世界中实现真正的数字功率。 展望未来，预计将有更多的数字功能被增添到传统的模拟芯片中，在单个器件中包含多种功能。这些高集成度的芯片将需要能够涵盖各种功率模拟要求的先进工艺技术和CMOS技术。 模拟器件有助于汇聚各种功能，所以在便携式应用中扮演着重要的角色。市场对手机等便携式应用设计中容纳更多功能的需求，一直推动着模拟开关增加更多功能。例如，设计人员有时会利用模拟开关把新功能加入到现有的设计中，这样便可以缩短重新设计的时间，并为消费者提供更多的功能。 集成度的提高仍将继续是便携式应用的发展趋势，尤其是对功率模拟器件而言。所有的控制功能和功率转换功能都将被集成到功率管理单元(PMU)中，从而有效地节省便携式应用空间，并最终加入一些逻辑功能。我们所预期的并非纯模拟器件，而是一种混合信号类型的产品。 飞兆半导体正在开发一个模拟开关系列，把转换音频、视频、UART以及高速USB的能力整合在单一开关中，为便携式产品设计人员提供很大的灵活性，帮助他们从单一连接器把截然不同的信号引导到器件内的不同功能模块，但却不会影响信号的完整性。 Crawford 便携产品的快速发展不仅推动了数字电路技术的快速发展，而且也进一步带动了模拟芯片技术和市场的发展，推动了更多模拟和混合信号功能的集成。在包括无线电话、笔记本电脑和平板电脑、智能电话、数码相机及个人媒体播放器等各种便携产品应用中，音频成为了各种系统设计必须考虑的一个基本功能，同时也成为了各种便携电子产品实现差异化的关键性能。系统设计工程师总是希望能够实现最佳的音频质量，同时还要保持最低的功率消耗，使电池体积最小、电池 寿命最长，这样也带来了模拟芯片向应用更新技术和更高集成度的方向发展。 针对不同的应用，混合信号和模拟技术的发展也出现了不同的方向。例如在应用于MP3播放器时，系统设计师需要同时考虑音频质量、功率消耗和体积等因素。音频质量是首要的因素，因为它是消费者和观众在选择一个播放器时所追寻的重要性能。功率消耗是任何便携产品获得长时间电池寿命的关键。封装尺寸也很重要，因为最终应用的尺寸也很小。欧胜的强项之一就是把许多功能集成在很小的封装中。由于MP3播放器和移动电话中有限的印刷电路板空间，在一个很小的 器件中集成多项功能就能使设计变得更简单。 Boulaud 模拟IC和数字IC一样呈现集成度更高、尺寸更小的发展趋势，更多地集成了功率管理功能，从本质上来说，要解决功率泄漏问题。 逐渐增加的多媒体处理功能将对外围模拟IC产生持续增长的需求。芯片制造商将更多地专注于产品核心功能的开发。进一步说，集成为一体的产品最终可能出现，但是在短期内要想实现则不太现实，因为我们还处于产品高度集成的初期。 黄汉基 符合环保要求的AC转DC电源管理技术是便携式电子产品所不能缺少的技术。大部分客户都希望待机模式的电源供应可以降低至0.5W-1.0W或以下。NS的LM5021芯片可将待机模式的电源供应降低至0.3W。对于电子产品厂商来说，这个优点非常重要，因为它可以满足低功率操作的要求。 何贤斌 便携产品电源管理技术的趋势是朝着电源管理与系统整合的方向发展。长期以来，处理器供应商及电源管理芯片厂商都各自开发自己的技术，但传统技术的改进始终有其局限性，电池能量的利用效率几乎已达到了极限，未来的提升幅度不大。要在效率方面寻求新的突破，就必须改变传统的思路，采用全新的方法，全面考虑整个系统的用电要求，以智能型电源管理芯片来管理系统的性能及功耗。 手机节电成重中之重 王 剑 手机的节电不完全是由模拟芯片决定的，以手机的电源管理为例，手机电源管理最为看重的就是电能转换效率问题，怎样能够最大限度地利用手机中的电源是一个重要课题。在手机方案中，大部分国际厂商解决方案中的手机电压是可调的，当供电电压低的时候CPU运转速度比较慢，可以实现节电的目的。这是根据手机要处理的功能和任务决定的，模拟芯片可以提供这样一种功能来实现这样的任务，模拟芯片可以通过软件和一些接口来改变数字电压。 在手机整体方案中，怎样调节接口功能、怎样调节软件、何时关闭某些电压是由CPU控制的。因此，对整体系统的了解和对软件方面的控制也是非常重要的。 目前，针对高端应用的手持设备电源管理芯片中，都会集成一些数字接口以便调整。 王瑞兴 为了在3G手机中更有效地节省能源，我们预计专门用于功率管理单元(PMU)的拓扑结构将会出现一些变化。大部分线性调节器都将被开关类型的调节器所取代，如降压、升压或降压/升压转换器，以获得更高的效率。基带处理器将需要一项在线电压编程功能，这样当系统闲置/待机时，基带处理器便可以随核心电源电压的降低而消耗较低的功率，而核心电压可以根据基带处理器的运行速度改变。这种方案适用于无线射频(RF)功率放大器(RFPA)应用。由一个可编程直流到直流转换器(DC-DC converter)向功率放大器供电，将可以为功率放大器提供最大的效率。直流到直流转换器预期可与PMU集成在一起，或者集成到RFPA模块中。 飞兆半导体的模拟开关在器件的整个工作电压范围上都具有极小的电流(<1uA)。通过透彻理解客户的应用要求，我们能够提供在宽带和信号眼图符合方面满足需要的领先的开关产品，这些产品无需使用功耗电荷泵和电平移动转换器。 除了功率管理技术之外，飞兆半导体最新推出的uSerDes产品率先在手机中引入突发模式功能，以在显示器/相机和处理器之间发送信号。采用这种技术，功耗比现有的手机SerDes产品降低1/5，又不影响数据流量。这种技术有助于实现更高的性能和功能，同时对功率的影响最小。 Crawford 3G网络的推出将有望扩大对多媒体移动电话的需求，这些移动电话将能够提供广泛的、内容丰富的声音和图像。欧胜预计整个行业和市场对这些电话的需求2007年将达到3亿部。由于成功地加入了业界的多项设计，欧胜将从这种快速成长中获益匪浅。 3G手机市场将需要更灵活的模拟方案，它们集成了高质量的音频性能和扩展了的混音能力，同时还需要很低的功耗。这将支持移动电话新的应用模式，例如在继续听MP3和调频广播的时候启动正常的电话功能，以及在打电话实现音频回放。其他的模式包括语音电话时的卡拉OK功能，带有耳机的全面的混音能力以及用I2S格式来录音。 Boulaud 在用于3G手机的节能技术开发方面，ST用开关调节器代替线性调节器，用主动式温度传感器代替NTC温度传感器，并且向燃料电池技术进行了投资。 黄汉基 NS特别为便携式电子产品提供一系列被称为功率放大器供电系统(SuPA)的智能型直流/直流转换器。CDMA/WCDMA等手机一般都采用线性的功率放大器，这个线性特性令这类手机的耗电量比GSM/GPRS手机高。SuPA可与功率检波器(例如NS的LMV228低电压放大器)搭配在一起，以便为功率放大器提供动态电压调节(DVS)功 能，因此即使CDMA/WCDMA手机的输出要求不变，供电系统也可根据情况降低供电量，以节省能源。采用这个配置的便携式电子产品也因此可以大幅延长其电池寿命。 何贤斌 NS的一系列音频子系统设有数字音频接口及D类功率放大器，可以满足客户这方面的要求。音频系统设计工程师目前面对的最大挑战是如何为模拟及数字信号通道提供一个理想的接口。此外，他们也要尽量减少外部元件的数目并缩小电路板的面积，同时还要顾及音响效果、散热能力及功耗，以便延长电池寿命。由于新一代手机必须节省用电，因此NS便推出一系列无需加设滤波器的高效率d类放大器以及内建这类音频放大器的音频子系统，如LM4934、LM4935等，以满足客户对节电方面的要求。 平板电视领域大有作为 王 剑 液晶电视、等离子电视以及TI的DLP电视等组成的平板电视类产品，最大的特征是薄。其功耗主要来自于屏、主CPU以及音频部分。在平板显示产品中对于芯片的要求非常严苛，由于需要保证较高的音像效果，音频部分的功耗非常高，一般大尺寸平板电视音频功耗都在每通道10瓦左右，大功耗的各部分芯片集中在相对较小的面积中，对设计造成很大困难。 在平板电视产品中，TI主推D类功率放大器来取代线性功放。由于D类功率放大器采用开关式，效率较高，可以达到80%以上，而传统线性功放的效率则在30%～40%左右。D类功率放大器可以在体积比较小的情况下实现高效率转换，并能兼顾到平板电视薄、轻的需要。 平板电视整体发展趋势中，对于待机功耗要求日益提高，中国目前待机功耗的标准要求不得高于1W，在欧洲要求甚至更严。另一方面是功率因数的要求不断提高，这是对于整体电网节电具有重要意义。 平板电视的最大“吃电”大户在屏中，DLP电视的光源是一个120W左右的灯泡；而液晶电视的发光是由阴极射线管完成，效率则要看液晶技术本身的发展状况。所以在平板电视中，大幅度提高效率更依赖屏和显示技术。 王瑞兴 薄型显示器应用中的模拟功率器件需要好几种先进功能，包括：1.极高的效率。以防止在无风扇系统的小型密封空间设计中出现散热问题。而且，从传统反激式类型转到谐振半桥类型的拓扑改变的影响，需要复杂得多的功率系统；2.系统集成性。减小电路规模，尽管薄型显示器pcb的面积有限，但仍能获得良好的电路原理图；3.封装的总体尺寸越来越重要，薄型封装的高度必须小于20mm的限值。此外，封装的发展趋势是尺寸更小，而且具有出色的散热条件和更低的热阻抗；4.更高的功能集成性和新的拓扑结构，比如LLC拓扑可提高功率效率，因此在未来将会被考虑。这些功能可节省空间、减少热问题，并可降低系统总成本。 消费市场的一个推动力是最新的能源效率规范，比如最广泛采用的能源之星倡议，它规定了液晶电视的待机功率小于1W。能源效率和待机功率是这项倡议的关键要素。 作为功率专家，飞兆半导体公司生产了多种适用于家电市场的模拟产品，比如绿色FPS功率开关、uSerDes以及支持能源效率的低压功率开关。 对于200W以上的功率应用，由于MOSFET具有比较大的输出电容，故以降低开关频率来降低开关损耗的方法是有其局限性的。这种情况下，最好选用针对待机电平而优化了的辅助电源。在待机模式中，主电源会被完全关断，以节省能源。 Crawford 在今天的电视市场中，液晶等平板显示正在赢得更多的客户，由于显示屏|显示器件的平板化带来了狭小的系统空间，不仅使整机的印刷电路板尺寸被大大缩小，同时还带来了放大器散热等新的问题。所以更薄的液晶电视一方面要求更多芯片功能的集成，另外一方面还要求引入D类放大器等新技术和产品，更重要的是还不能影响系统的性能。 比如欧胜最近推出的WM8581/0两款全新的多通道模拟信号处理器，首先它们都有性能优异的模数转换器、数模转换器和S/PDIF性能，它们都带有至少六个独立元器件的各项功能。WM8580和WM8581提供了一种用于路由和转换多个音频通道和格式的高灵活性系统，显著地简化了音频通道设计，使其成为了液晶电视、可写入DVD系统和AV功放的理想之选。 这两款产品都围绕一个高质量的多通道音频编码解码器(CODEC)而设计，可非常完美地用在5.1和7.1声道音频输出，或者提供多个独立的输出，例如扬声器|蜂鸣器、线输出、耳机和后备输出。两款器件都带有一个两通道ADC，WM8580集成了一个6通道DAC，而WM8581则集成了一个8通道DAC。 Boulaud 在液晶电视市场方面，我们所有的功率解决方案都采用最新共鸣的或者类似共鸣的拓补学结构以及相关的控制器，以期提供高效的解决方案。 对于超薄显示器来说，模拟器件面临的挑战在于提供高效的背光转换技术，满足高电压扫描驱动对更高集成度的需求，以及提供高品质的DC/DC转换器。 黄汉基 输出电压的准确性是衡量电源供应系统优劣的另一重要参数。NS的高压技术采用准确的薄膜金属晶体管，而且设有微调功能，因此可以按照个别设计的要求调节参考或输出电压。系统集成商必须采用设有跳越模式的AC转DC电源管理技术，而LM5021正是这样的一款可以满足这方面要求的解决方案。 汽车电子要求更严 王 剑 汽车电子领域中，芯片市场的重点在于发动机控制等数字芯片产品，TI在汽车电子市场中，数字芯片和模拟芯片均有产品供应，全球排名前十位的汽车电子厂商中大多都采用TI的汽车电子芯片产品。 汽车电子对于模拟产品的要求主要是初装市场和后装市场。其中尤以初装市场更为重要，整车厂商会对汽车中所有产品负有责任，消费者车中的任何电子产品故障商家都需要维护，这也是汽车整车研发周期较长的一个重要原因。而后装市场则大部分是消费者个人行为。 汽车电子的一个产品开发大概需要两年半到三年左右的时间，而且整车厂商对于一款芯片产品的可靠性认证的时间很长，认证费用也非常高，汽车电子领域的芯片供应厂商需要通过一系列汽车市场专有的标准认证，所以一般汽车电子产品的生命周期都比较长。 王瑞兴 功率和模拟功能在汽车中的应用日益增多，它们在总体成本中所占的比例也在不断提高，其主要推动力在于，在当前的和未来的汽车中，乘客舒适度和便利性方面的选择大幅度增加。如加热座椅这种功能选项需要大量的能源支持和功率管理；先进的刹车和处理系统提高了安全性和舒适度，同时也需要功率和模拟控制功能才能正常运作；以前的机械系统已逐渐转向向电子系统。动力转向系统(power steering system)正是一例，从传统的皮带传动转变为电机驱动；一些 新型推进系统的出现，比如混合动力汽车，由于引入了高压逆变器、直流到直流转换器以及复杂的电机管理产品，故功率要求大幅度提高。 这些新要求推动功率器件的供应商努力开发具有可提供系统级价值的功率和模拟功能的模块及芯片解决方案。其中包括带有功率MOSFET和模拟控制器件的动力转向模块；与IGBT、模拟传感器和通信功能一起集成在线圈中的完整线圈开关(switch on coil)点火产品，以及整合在单一封装或模块中高达300V的完整直流到直流转换器。这些解决方案都必须能够适应汽车环境，满足零缺陷率的可靠性要求，并能在高温和恶劣条件下工作。 Crawford 随着汽车的电子化程度不断提高，模拟芯片在汽车电子市场中的前景十分广阔。欧胜是世界领先的集成电路供应商之一，我们创造性的设计技能可以满足汽车市场对消费性车载信息娱乐解决方案不断升级的需求。欧胜的音频数模转换器(DACs)、模数转换器(ADCs)、编码解码器(CODECs)以及放大器产品适用于音频娱乐系统、驾驶员信息系统以及远程信息通信系统，是未来车载娱乐市场的重要组成部分。 我们严格的测试和评估项目确保了能够达到制造商苛刻的环境和可靠性目标要求。它们都符合包含在汽车电子协会AEC-Q100和AEC-Q003体系中的各项标准，AEC-Q100和AEC-Q003分别是集成电路严格的质量认证体系和集成电路产品的电学性能特性化指南。 欧胜的质量系统符合ISO9001的要求，同时我们所有的外包供应商都采用了QS-9000和ISO/TS16949等质量体系。作为一家世界级公司，我们拥有设计和供应满足汽车娱乐及子系统制造商需要的产品的技能和资源。 主流厂商看市场 TI：iSuppli的统计数字显示，2006年与2005年相比，全球模拟芯片增长率约为11.7%～12%，2007年增长率将约为13.8%～14%。在中国，整个模拟产品市场正处于高速增长期。 模拟芯片市场的发展也跟随着半导体市场大环境的变化而有所起伏，虽然中国半导体市场增长速度非常快，但是在大环境下滑的时期增长也会随之放缓，不过不会像全球半导体市场一样剧烈变化。 拉动模拟芯片市场发展的驱动力有几个方面，其中最为庞大的群体是便携手持设备的增长。近年来，手机、MP3、PMP以及移动电视等市场增长非常快。尤其是在移动通信领域中，在3G时代即将到来的契机下，通信产业的增长也将越来越快，连带的通信产业中所需的模拟芯片市场也将有大幅度增长。 飞兆：据iSuppli的研究显示，预计从2005年到2009年，全亚洲的模拟IC收入年复合增长率(CARG)将达12%。中国的模拟芯片市场预期在2006年下半年至2007全年仍将保持强劲增长势头。中国本土的模拟器件市场将继续由多家主要的制造商领导，而未来几年间中国将继续提高自己的技术和工艺能力。中国市场预期将继续增长，但仍只占全球模拟芯片供应的极小份额。 欧胜：在数字消费电子行业中，“中国设计”将是2006年及今后的一个热点，我们非常高兴地看到越来越多的公司在中国不仅为中国市场，而且为全球市场开发和生产各种定位的产品，这是对那些只是在中国生产由其他地方设计的产品的许多公司的有力补充。随着本地设计能力的大幅度提高，中国模拟器件市场发展前景极为广阔，而且各种先进的技术也会很快地在中国得到应用。