[原创] 移动设备充电有了新选择

自从1999年从摩托罗拉分拆出来，安森美半导体已运营了19年的时间。该公司主要关注五大重点市场，按今年第二季度的收入，汽车领域是安森美半导体比较看重的市场，营业额达到了31%；在工业和医疗领域，约有28%的份额；在通信、手机应用领域，占17%的收入份额；在消费类，包括电视机、空调等一些常用的家电产品领域，有14%的份额；最后是计算领域，例如适配器、服务器电源等，收入份额占10%。

在2017年全球前20大非存储器半导体供应商排名中，安森美半导体排名第13。如果从顶尖功率半导体分立器件和模块半导体供应商的2017年全球市场份额排名来看，安森美半导体排全球第二。

据安森美半导体模拟方案部AC-DC电源管理高级市场推广经理蒋家亮先生介绍，从2018年第二季度的销售概况来看，上文提到的五个主要的市场——汽车（31%）、通信（17%）、工业/医疗/航空-国防（28%）、消费（14%）和计算（10%）。根据渠道收入的划分，主要来源是代理商，约60%。其他直供的客户，比如OEM和EMSI（电子合约制造商），大概有40%。从区域市场收入分布来看，亚太区（不包括日本）占最大的份额，约60%。其他欧美和日本共有约40%。

图：安森美半导体模拟方案部AC-DC电源管理高级市场推广经理 蒋家亮

在全球各地，安森美提供不同的服务，如生产基地、解决方案工程中心（SEC），还有销售据点等等。美洲、欧洲这两个区域主要是前端的生产，比如做晶圆的部分。如下图所示，黄色的点是IC设计中心，也是主要在欧美两个地方。很多制造、后端的生产基地在亚太地区。此外还有设计中心、以及贴合客户需求，帮客户做方案的。所以亚太区主要是后端的生产。

不断收购 持续壮大

从2000年上市以后，一直到今年，总共18年的时间，安森美半导体已经完成了16家公司的收购。可以看出，该公司从做电源管理IC起家，一直在扩展，产品的覆盖范围越来越广。例如对三洋的收购，使安森美半导体的功率器件不断加强。其他的收购包括电脑中温度检测传感器或是图像传感器等。这不仅使我们拥有了更宽的产品线，也使其能够为客户做更完整的方案。

谈到该公司的战略方向，蒋家亮表示，我们会挑出一些快速增长的市场，比如汽车、物联网（IoT）、高性能电源转换(HPPC)，还有电机控制，会投入很大的资源，投资新的IC。我们也会利用自己强大、宽泛的产品，为客户提供很多不同的整体方案。也会做一些优化，提升我们的供应链和制造的网络，提高品质。还有就是如何利用现有的资源跟客户进行沟通，多做一些定制化、为客户提供完整且具有差异化的解决方案。此外，对于新产品的开发，我们也协助客户加快他们的产品上市时间和收入。

适配器市场趋势

关于充电器，从以前非常笨重、充电时间很长的充电器，到现在只需要30分钟。从手机非常耗电，还不能随身带着的充电器，到后面比较轻巧的充电器，可能也有USB，但是瓦数非常小，慢慢出现了苹果的Lightning接口，目前演变到用USB Type-C接口进行充电，因为USB  Type-C正反插都可以，所以它的覆盖范围非常广，且容易使用。

我们看到，手机充电器从以前的低瓦数，变得越来越高了，例如国产手机充电起码要15瓦以上。如何做到快充也是目前市场关注的重点，同时，我们也不能做体积很大的手机充电器，追求的是高密度、高能效。另外，我们会设功率密度参数，目前在市场可以随意看到大概10W/in3的密度。

过去，USB有第一代、第二代、第三代，以及micro USB，插头比较小，还不能正反插。也看到过快充架构，快充1.0、2.0、3.0，但也是有限的，瓦数不到20瓦。快充4.0最多也是30瓦，瓦数上还是有限制。

蒋家亮表示：如果用USB Power Delivery(PD，供电)，就可以覆盖到100瓦，也就是一个Type-C的接口可以充100瓦的能力。我们可以用同样USB Type-C接口的充电器给笔记本充电，也可以充手机，所以它的弹性非常大。这也是为什么安森美半导体会在这个部分发展一些新的电源方案，来配合USB PD的架构。

USB Type-C有很多优势，我们看到市场正在慢慢转用USB Type-C，因为USB Type-C能带来统一，每次用手机充电、传输数据、听音响，都用同一根USB Type-C线，这使得USB Type-C的使用越来越广泛。

如果我们的手机、手表或者电脑配上大而笨重的电源，会觉得很不好看，这也是为什么电源需要改朝换代的原因。对此，蒋家亮表示：安森美半导体为客户提供领先的方案，给客户新的选择。当然在电源方案方面也有一些挑战，不过我们能够克服。比如如何提高能效，尤其针对轻载的时候，因为每个充电器在使用时需要高密度，热管理也要做好。如何做到好的散热，也是很重要的。如果密度做得很高，每个器件，每个元件排列都要非常紧凑，很容易受到干扰，怎样做到性能好的EMI（抗电磁干扰）的同时，保持器件数少，也是高难度的事情。做一个电源能够覆盖全部应用，从笔记本到手机都可以充电的，这才是目前看到的发展方向。

有源钳位反激(ACF)方案

性价比考量很重要，在这方面，安森美半导体为市场提供了新的方案选择，尤其是NCP1568和NCP51530，NCP1568自适应是新的拓扑结构，是有源钳位反激控制器。有源钳位在市场上已经有很长的历史了。反激架构则比较新。

如果有一些性价比更好的，不需要那么高密度的方案，可能就是高频准谐振方案，蒋家亮表示：我们有NCP1342。普通密度方案则有NCP12601，这是标准、普通的芯片。如果客户要求做最简单，最便宜，允许变压器大点，则可以用低频率的开关方案去做。那么，频率的高和低，区别在哪里呢？主要是变压器的大小，普通变压器比较大，如果要跑高密度的话，变压器就可以缩小为原来三分之一那么大，这是非常容易做到高密度的原因。

谈到成本时，蒋家亮表示：变压器大概占电源方案的1/3价格，变压器可以省掉一些成本，但是可能要花一些钱去买IC，从长远来看，变压器能够降的成本不多， IC的价钱有很多空间。除了缩小变压器，还可以改变其他元件，比如说电容相对来说可以更小。因为跑高频，两三个电容以前很大，但现在跑高频，电容可以变小，电容价钱更便宜，变压器也相对便宜了，PCB也便宜了。例如变压器可能贵了20%，如果产量很大，20%的差额基本上可以弥补，总成本会变得便宜。所以成本还是要看量的。

传统的反激拓扑架构。一般有个变压器，还有MOSFET，开、关的时候会产生很多高频的EMI，影响周边的器件，会带来一些损耗。如果不想产生EMI，周边有电路把它吸收掉，吸收掉就等于损耗掉，等于跑高频越多，损耗越多，所以传统的反激拓扑结构有限制，不能跑高频，就是这个原因。

假如用有源钳位方案，就是在上面多加一个MOSFET，在上面多加一个电容，但同样有吸收能量的地方。但是当MOSFET关的时候，全部的能量会送到电容里储存起来，之后会重新利用电容里的能量，此时，同样把MOSFET的开关的电压设置为零伏，去开下边的MOSFET就等于是零伏的电压开关。这是有源钳位带来的优势。

如何做到高频的呢？因为每一次开关的时候，都是零电压开关，等于没有损耗。关掉的时候，也可以把那些会产生EMI损耗的能量全部重新利用，把它传递到二极管，等于整个电源转换过程不会有损失，变成了既可以做高频，也可以实现低EMI，同时还会保持非常好的能效，这是有源钳位的好处。

安森美IC里边有一个自适应的机制，功率在哪个位置，会在这个负载点作出开关优化，减少开关管开通损耗，是非常有效率的IC。同样也集成一些自适应的死区时间，能够把一个开关的操作做得非常完美，也减少了其中的损耗。

蒋家亮表示，我们这个IC有一个非常好的地方，就是它的导入模式，因为有源钳位(ACF)不能从零负载到满负载都是ACF状态的，如果满负载是ACF，轻载也是ACF，待机也是ACF的话，可能做不好。所以我们要把当中的一个点，就是IC会自动切换成ACF转到非连续导电模式(DCM)状态。这个IC目前最强的是能够做到待机功耗小于30m/W，也可以在ACF模式下把轻载做好。该IC有内嵌启动的部分，也会有输入的欠压保护，也可以把待机做得更好，做得更低。

在自适应零电压(ZVS)开关方面，我们希望能够保持每一个开通的周期都是零损耗的，有一些ACF可能没有做得很完美，在满载的状态下非常好，但是轻载的时候就不好了，可能跑到负电流很大。假如有自适应零电压开关的话，稍微检测到一点点，马上就开通MOSFET，就等于可以允许开关频率很高。但是开关频率高了，开关的数量多了，损耗没有提高，频率跑得快，也可以保持零电压开关状态，这也是该IC非常强的地方。

除了NCP1568、NCP51530，安森美也做了很多不同的方案，比如用超结MOSFET来做，性价比非常好。

目前，氮化镓还未流行起来，因为相对来说比较贵。所以在高密度的部分，如果能够用到普通的超结MOSFET，也能做到高密度，那这就是首选的方案。

蒋家亮表示：将来的氮化镓功率管，也可以使用ACF拓扑，这取决于客户的目标。客户有不同的兴趣，有些希望用超结就好，有些可能追求更高密度的，希望把氮化镓放在里面，不限于低频，反而希望更高频。安森美半导体的IC能够跑高频，配氮化镓。同样用我们的IC，做设备降损，也可以在上百K的位置达到非常好的能效。

如果拓扑结构没办法跑高频，用氮化镓跑高频的话也是浪费的。所以一定要把氮化镓配上对的拓扑，比如说有源钳位或者LLC零电压切换的拓扑才跑高频，这种情况下比较适合使用氮化镓。

蒋家亮表示：安森美的IC方案非常有弹性，无论是60瓦，90瓦，甚至可能做27瓦。目前市场比较流行的12瓦标准的充电器，也可以做到27瓦，所以相对来说密度非常高。

半桥驱动器很多厂商都做，安森美半导体也有。为什么特别说这个呢？因为这应该算是目前全球跑得最快的半桥驱动器了。大家可以注意这几个参数，如下图所示，从信号到输出，延迟只有7纳秒，非常小。它的爬升时间和下降时间，都非常短，因此，我们可以开发这些半桥驱动，用这个IC配NCP1568，做出高密度，跑高频，这些是非常重要的参数。

通过与其他竞争对手产品做比较，从 IC本身的耗电量或者自己在正常驱动的时候发烫的效率来看，安森美的IC做得非常好，损耗非常低。

据蒋家亮介绍，目前有源钳位反激式拓扑结构还比较新，市场接受程度还不是很高，这正是该拓扑结构推广的机遇。USB PD电源部分确实已经扩展得很快，无论是手机充电或者笔记本充电，都已经有了很明显的发展方向，比如说联想、戴尔、惠普，他们未来笔记本的电源充电可能不是高密度，而是普通密度。目前，三家加起来总共有约1.5亿的量。今年，约有30%的笔记本电脑适配器用USB Type C PD，预计明年将达到50%，即差不多有7500万 台，其中有多少个变成超高密度或高密度呢？可能是1/10。目前我们看到市场上如小米等好几家都在做USB Type C PD，我们会紧跟他们的需求，做好配合工作。