借力SMD元件/數位化設計　電信設備電源系統效率激增

電信設備電源供應器效率再升級。面對各國日益嚴苛的節能規範，以及電信業者不斷提高的能源轉換效率要求，半導體業者一方面戮力開發微型化表面黏著元件(SMD)，以在最小的電路板占位空間下，達到最高的功率輸出效果；另一方面也擴大採用數位電源管理晶片方案，以進一步提升電源供應系統轉換效率。

圖1　台灣英飛凌工業與多元電子事業處資深行銷經理魏致祺(右)表示，為提升電信設備電源功率密度，相關電源晶片正加速朝向微型化發展。左為台灣英飛凌電源管理及多元電子事業處首席工程師林志宏

電信營運商必須即時且有效地在高度競爭的市場中，滿足使用者各式各樣的需求，此外更要兼顧獲利，因此提供穩定的網路效能是重要關鍵。可靠的網路服務須仰賴穩定的電源供應，這和電信設備的電源供應器設計息息相關。現今電信設備電源供應器正不斷朝向提高功率密度和轉換效率兩大方向發展，因此相關晶片供應商無不加緊腳步跟隨電信設備電源系統的發展脈動，致力縮小晶片尺寸和推出數位電源晶片；晶片尺寸縮小可達到電源供應器對減少占位空間的要求，而當體積縮小，功率密度也就自然提高。

電源系統中導入數位電源晶片，則有助於系統立即掌握運作和用電狀況，並即刻做出反應，從而提高能源使用效率，降低設備功耗。

通訊電源功率密度要求增　SMD電源晶片賣相佳

事實上，電信設備電源供應器製造商為提高產品功率密度，近來已大量改用SMD封裝形式的金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)與電源控制晶片，因而激勵相關元件銷售增溫。

台灣英飛凌(Infineon)工業與多元電子事業處資深行銷經理魏致祺(圖1右)表示，電信設備商為了在不增加設備體積的前提下加入更多功能，往往會縮減電源供應器所占用的電路板空間，使得相關產品須朝向更高功率密度發展，以在更小的尺寸下，達到相同或更高的功率出輸效能。

因應此一設計趨勢，電信設備電源供應器所使用的功率元件與電源晶片亦加速邁向微型化發展，並由原本插件式封裝轉變為SMD封裝。

台灣英飛凌電源管理及多元電子事業處首席工程師林志宏(圖1左)指出，插件式元件不僅體積較大，且須以人工裝配，易發生損壞與靜電干擾等問題；而SMD元件則具備薄形化、雜散電容/電感較小及可採用機器打件等優勢，能滿足高功率密度設計需求，遂日益受到電信設備電源供應器業者青睞。

魏致祺提到，現今電信設備電源供應器的次級側(Secondary Side)與系統機板上的電源設計幾乎都已改用SMD元件；而初級側(Primary Side)由於效率相對還未理想，囿於散熱考量，多半仍使用插件式電源晶片。

除透過SMD封裝方式縮小元件體積，同時滿足電源供應器功率密度提高和節省占位空間的要求外，電源晶片業者亦戮力降低MOSFET導通阻抗(RDS(On))。林志宏解釋，相較於電源控制晶片僅負責開關的角色，MOSFET對功率密度的提升具有更關鍵的影響力，因此阻抗愈低愈好。不過，導通阻抗越低會導致周邊電容值上升，造成切換損失增加，因此如何在阻抗和電容值間取得平衡點，便成為設計者權衡的重點。此外，變壓器等磁性元件對於功率密度的提升亦有舉足輕重的作用。

另一個值得注意的發展，係氮化鎵(GaN)功率半導體的採用。林志宏進一步分析，半導體元件的厚度與其可承受的電壓成正相關，也因此高壓MOSFET厚度通常較厚；而GaN功率半導體可在很薄的厚度下承受極大的電壓，因而能滿足電源供應器不斷拉高功率密度的要求，可望在未來大受電信設備電源供應器業者青睞。

魏致祺補充，GaN功率元件的切換和導通損失相當低，且電磁干擾(EMI)也很小，是極具發展潛力的新方案。不過，由於現階段GaN功率元件的價格仍高，加上電信系統相當重視可靠度和穩定度，因此在GaN功率元件還未達到更高成熟度之前，相關業者仍有採用上的疑慮，而隨著投入發展的業者愈來愈多，產品價格逐漸下滑，未來3?5年將會逐漸被導入至電信設備電源供應器。

全面採用數位化設計　通訊電源系統效能升級

除大量引進SMD元件外，通訊電源系統亦全面走向數位化設計。高效率是近來電信設備電源供應器發展的另一大重點，促使相關製造商大舉引進數位化電源設計方案，並刺激晶片商積極投入數位電源積體電路(IC)，如具數位通訊與控制功能的直流對直流(DC-DC)轉換器，以即時根據系統負載狀況調整電壓和電流，進而提高電源系統運作效能。

凌力爾特(Linear Technology)電源產品部產品行銷總監Tony Armstrong(圖2)認為，對於電信設備商而言，採用數位電源系統管理(Digital Power System Management)是目前最重要的發展態勢，藉此將可減少電信設備的功耗，讓設備兼具穩定的運作效能和暫態響應(Transient Response)，拉高系統可靠性。

圖2　凌力爾特(Linear Technology)電源產品部產品行銷總監Tony Armstrong不諱言，未來通訊電源晶片致勝的引爆點將會是持續將類比電源轉換電路移至數位電源系統管理方案。

數位電源系統管理的主要優勢是能夠降低設計成本和加快產品上市進程，而另一項優勢則是可預知電源系統故障並及時採取保護性措施，這對於即時遙測資料的可用性大有幫助。此外，具有數位管理功能的DC-DC轉換器能讓設計人員開發出「綠色」的電源系統；此類系統既可滿足運算速度、資料速率等目標性能，又能同時最大限度地減少負載點、印刷電路板、機架乃至安裝級的用電量，從而降低基礎設施成本，以及產品使用期限內的總體持有成本(TCO)。

Armstrong表示，在電信及儲存系統中，可能有超過二十個負載點(POL)電壓軌，系統設計者需要一種簡單的方法來管理這些電源軌。如某些處理器會要求其I/O電壓在核心電壓之前上升，而某些數位訊號處理器(DSP)則要求其核心電壓在I/O前上升，所以設計者需要一種簡單的方法來進行更改，以優化系統性能，並儲存每個DC-DC轉換器的特定配置以簡化設計工作。

為保護昂貴的特定應用積體電路(ASIC)不受可能出現的過壓情況的影響，高速比較器須監視每個電壓軌的值，並在某個電壓軌超出規定的安全工作限度時，立即採取保護行動。當數位電源系統發生故障時，可透過電源管理匯流排(PMBus)警報線通知主機，而且相關的電壓軌可以關斷，以保護ASIC等受電設備。

基於這些原因，數位電源IC挾高精準度的數位電源系統管理功能日益受到市場青睞。據悉，目前凌力爾特正積極拓展一系列數位電源系統管理產品陣容，其中包含DC-DC控制器，其內建功率場效應電晶體閘極驅動器，以及可透過PMBus使用的全面電源管理功能。此外，該控制器還可提供±0.5%的直流電準確度、簡易型補償(可獨立於操作條件進行校準)、逐週期電流限制、快速和準確的均流，以及針對電壓和負載瞬變的卓越響應性能。相較於市面上採用數位化控制的元件，該款控制器解決了常見的類比數位轉換器(ADC)量化關聯誤差。

Armstrong進一步解釋，進入下一代網路技術後，電信設備電源管理晶片將持續朝向數位化發展，透過標準的串列數位匯流排如內部整合電路(I2C)，就能實現與配備數位功能的DC-DC轉換器之間的高效率通訊；而PMBus等新興標準則有助於實現元件的互通性。

另外，重要的穩壓器參數，包括啟動特性和計時、輸出電壓和電流限值、裕度調節規格，以及過壓和欠壓監控限值等，均可以數位方式直接程式設計，不必借助電阻和占用空間的排序及監視產品來設定。只要定期監視溫度、輸入和輸出電壓，以及電流等關鍵操作參數，對於優化系統效能和提升可靠性都具備一定效益。

Armstrong強調，數位電源系統管理可望在下一代綠色電子系統中實現更高的效能和更低的用電量，而其發展腳步正逐漸走向工業和醫療系統市場。凌力爾特將持續在電源系統管理產品上投資，並且每年都將繼續在該領域中推出新產品。

事實上，不只凌力爾特致力針對電信設備電源系統提供數位電源方案，英飛凌亦看準此一設計趨勢加緊展開產品布局。魏致祺指出，以往電源供應器設計多僅重視滿載效率，而今對半載或輕載的效率亦要求很高，為符合如此嚴格的轉換效率要求，數位電源設計就相當重要。

魏致祺也提到，電信設備電源供應器導入數位電源設計其實已有一段時間，而今幾乎已全面數位化，因此英飛凌除了MOSFET和電源控制晶片外，亦將針對此一領域，推出數位電源設計用的微控制器(MCU)，提供更完整的解決方案。

確保電源系統運作安全/效能　電氣安規認證不容忽視

微型化SMD元件和數位電源設計固然可以提升功率密度與轉換效率，但要維持電源供應器穩定、可靠運作，仍須各種安規標準與驗證測試的把關。UL亞太區事業發展經理陳立閔強調，電氣安規是電子產品不可或缺的基礎認證需求，而能耗則牽涉到營業成本與利潤，是商業營運的推動力；因此可靠度與妥善率是整個通訊系統長期營運獲利的保證，環環相扣。

陳立閔解釋，目前國際上是採用UL/IEC 62368做為通用的基礎安規標準，其是由UL所主導建立的新時代電氣安規，擺脫了固定測試項目的束縛，改採以風險管理為導向的認證模式，製造商必須建立風險的評估與減免模式，以及失效模式與效應的分析能力，才能夠訂定測試計畫並執行認證工作。

這樣的新模式在其他如醫療領域或者車用電子行之有年，但在資通訊產業則是才剛開始，因此UL工程團隊正夠透過即時的標準諮詢協助，以及公開的研討會培訓，協助製造商降低取得認證所需要的嘗試錯誤風險，並快速通過標準認證，從而提升電信電源供應器產品穩定性與可靠性。