滿足基地台節能需求　高效通訊電源晶片傾巢出

求取新商機　晶片商相繼出擊

凌力爾特(Linear Technology)電源產品行銷總監Tony Armstrong表示，電信設備製造商不斷被催促須增加系統的數據吞吐量、性能、功能和特性；同時，他們也面臨著須要降低系統整體功耗的壓力。為了滿足這些要求，重要的是要掌握設備的功耗。因此，適當設計的數位電源管理系統可以提供耗電量數據，從而允許進行智慧型的能量管理決策。

為此，凌力爾特發展廣泛的電源系統管理(PSM)產品線，包括了同步降壓DC/DC控制器，其具備整合式的功率FET閘極驅動器和可透過I2C PMBus使用的全面電源管理功能。該產品的精準參考和溫度補償電流模式類比控制迴路提供±0.5%的DC準確度，具備容易的補償(已校準以不受工作條件影響)、逐週期限流、快速和準確的均流，以及電壓與負載瞬態回應，且沒有任何在其他運用「數位」控制的產品中發現與ADC量化有關的誤差。

此外，有些數位管理系統還包含一個16位元資料擷取系統，該系統提供輸入和輸出電壓及電流、工作週期比以及溫度的數位回讀。同時，元件也提供了透過中斷標記啟動的故障記錄功能以及「黑盒子」記錄器，該記錄器會儲存發生故障前轉換器的工作狀態。該公司的LTpowerPlay開發軟體和圖形使用者介面(GUI)也方便了多軌系統的開發。

相較於凌力爾特致力發展數位電源管理系統，英飛凌(Infineon)則是不斷在金屬氧化物半導體場效電晶體(MOSFET)上精益求精，以達更佳功效。英飛凌於2015年發表600V CoolMOS C7(圖1)產品，該產品可在LLC等諧振拓撲中達到高效能與較高效率，且其最低Coss與Qg值能讓切換頻率提升，但不會損及效率；藉由縮減磁性元件的尺寸，有助於解決系統中的功率密度及成本難題。

圖1 600V CoolMOS C7藉由縮減磁性元件的尺寸，有助於解決系統中的功率密度及成本難題。

同時，600V CoolMOS C7具備較小的封裝及更低的RDS(on)×A值(如TO-220達到40mΩ)，因此有利於設計的擴充性及模組化，甚至能達到更高的功率範圍，且由於設計更小，因此能節省應用封裝成本。

英飛凌電源管理及多元電子事業處資深經理陳清源指出，輕薄短小又高效的設計已是目前的共識，而為讓電源供應器體積更輕、更小及效率更高，便須將切換頻率拉高。在效率不降低的情況下提高切換頻率，相對便可減少磁性元件如電感、變壓器或是電容等的使用，除可使電源供應器體積更小之外，還可降低總支出成本。上述所提到的600V CoolMOS C7便是可幫客戶增加整個電源設計的切換頻率，英飛凌同時預計將在2016年推出另一款700V CoolMOS P7產品。

散熱佳/高效率　VIA/FPA技術展妙用

為達成輕薄短小之設計目標，除電源設計技術持續與時俱進之外，封裝技術也不斷創新突破。Vicor台灣分公司應用工程師張仁程表示，隨著基地台慢慢小型化，從原本的大型基站轉變成小型基地台(Small Cell)，電源功率元件也須變得更輕、更薄與更小，以因應小型基地台的建置。為此，Vicor未來產品規劃將朝四個方向演進，分別為更高壓、在高壓架構下降低開關損失、更高頻及採用VIA(Vicor Integrated Adapter)封裝。

張仁程指出，未來產品規劃往高壓走的原因在於，電壓越高，通過電流越小，可降低電流損耗；而往高頻發展之目的是使磁性元件體積變小，以便做出高整合度的產品，提升效率。至於在高壓的架構之下，要如何降低開關損失，Vicor則是採用三種拓撲技術，分別為ZVS、DC-ZVS及SAC，達到零電壓切換，進而提升元件效能。

最後，採用VIA封裝將原本「ChiP」封裝之功率元件與濾波器整合，則可大幅提升產品整合度，節約設計空間，並具備更好的散熱效率，應用也更加方便。張仁程進一步解釋，VIA封裝技術除使產品具備高整合度之外，另一個優勢就是便於散熱。採用此一封裝技術的產品，外殼是鋁殼，由於鋁的熱阻相當低，因此散熱也變得更加容易；未來該公司的產品，都將採用VIA封裝。

除了在產品發展規劃上，已有明確的方向，Vicor也具備獨到的電源設計技術，可與競爭對手做出區別，保持市場競爭力。張仁程說，提高元件電壓已成必然趨勢，這點該公司的競爭對手也都已注意到，且已開始研發相關產品。不過，目前遇到的困境在於，通訊電源的電壓為48V，如果要做到低壓的輸出，如1V，就要先從48V轉成12V，再從12V轉到1V的輸出。換句話說，須採用二階段(2 Steps)的轉換技術，才可從高壓轉到低壓輸出，但這麼一來便會有兩次的功率損耗；若是不經過二階段轉換，直接進行一階段轉換(1 Steps)，會因兩者電壓比率相差太多，造成更大的功率損耗。

為解決此一挑戰，Vicor研發出名為FPA(Factorized Power Architecture)的解決方案，藉此改變傳統電源架構，以達到一階段轉換。張仁程透露，FPA技術簡單來說，便是將傳統架構拆開，分為電壓和電流兩個模組，電壓的模組為PRM(Pre-Regulator Module)，電流的模組則為VTM(Voltage Transformation Module)，各自採用適合的拓撲技術使模組達到最佳效能；接著組合時再將整個架構對調，傳統架構是先做電流穩定再進行電壓的穩壓，而Vicor則是把此一順序對調，重新改變架構，先做電壓的轉換再做電流穩定，如此一來便可打破傳統由高壓直接轉低壓損耗太多的瓶頸。

備妥產品線/新品出擊　電源系統廠積極搶市

不僅上游晶片商動作頻頻，下游電源系統開發商也備妥完善的產品線及推出新品搶市，台達子公司Eltek便於近期發布新款雙向電源轉換解決方案—Rectiverter(圖2)，於單一模組內整合交流/直流電源轉換器(Rectifier)、直流/交流轉換器(Inverter)及靜態轉換開關(Static Transfer Switch, STS)。台達副總裁暨電源系統事業群總經理鄭安表示，Rectiverter是一項改變產品應用的新技術，將大幅改善能源轉換效率，為客戶帶來高可靠度的電力系統。

圖2 Rectiverter同時具備較佳的能源轉換效率，提升整體電源基礎架構的效能和可靠度。

此一創新設計大幅簡化既有電源系統的複雜性，可應用於電信、資料中心和工業等領域。Rectiverter同時具備較佳的能源轉換效率，其交流轉直流、直流轉交流的轉換效率分別為96%及94%，將能協助客戶降低總整體成本。

Eltek行銷長Morten Schoyen則指出，該產品為業界首創模組化的雙向電源轉換整合產品，有別於目前交流/直流轉換器、直流/交流轉換器各自獨立的設計，Rectiverter能提升整體電源基礎架構的效能和可靠度，更進一步開啟了產業的新契機。

Rectiverter整合交流/直流電源轉換模組、直流/交流轉換器及靜態轉換開關，因此簡化了電源系統的複雜性，同時縮小系統的尺寸和提高整個系統的可靠度，以協助客戶降低整體成本。

此外，新產品額定功率為2000 VA(結合AC和DC輸出)，提供230V/1500W AC和48V/1200W DC輸出，適用於單相與三相電力系統。其交流轉直流的能效為96%，直流轉交流的能效則為94%。透過模組化和彈性的設計，Rectiverter可以針對不同的應用進行調整以符合不同的需求，如通訊能源系統、不斷電系統(UPS)和工業電源。

相較於台達電推出新品，施耐德(Schneider)則以完整的產品內容迎戰市場。施耐德資訊科技事業部資訊系統規劃顧問黃仁凱表示，不斷電系統(UPS)重視的是安全和可靠度，而該公司旗下的SymmetraR PX 96/160(圖3)不斷電系統，其具備可熱插拔的功率模組、智慧模組、電池模組、旁路和電源分配組成，該體系結構可根據更高等級可用性的需求，在16kW∼160kW之間對功率和執行時間進行擴展；且自診斷功能增強了產品本身的管理性，並提高可靠性。

圖3 SymmetraR PX 96/160其具備可熱插拔的功率模組、智慧模組、電池模組、旁路和電源分配組成，提高可靠性。

此外，SymmetraR PX 96/160另一個特點在於具備可熱插拔的長壽命電池模組，其採用先進的電池監控和溫度補償電池充電技術，延長電池壽命，並在電池發生故障或異常時，可明確指示發生問題之電池。由此電池預期壽命可達5∼8年，降低系統生命週期成本(TOC)，同時熱插拔功能可降低更換成本和平均修復時間(MTTR)，而附加的電池櫃可支援更長的執行時間。

黃仁凱指出，UPS若無法隨意熱插拔，其可靠度便相對較差。因為只要機器故障或需要更新，便必須連接旁路(Bypass)電容，如此一來容易增加風險。因此，可隨意熱插拔已成為高階UPS的一個設計方向，為的是提升可靠性與降低維護成本。

除SymmetraR PX 96/160之外，施耐德也於2015年推出新款UPS--Galaxy VM(圖4)，該產品透過高效運行模式以及施耐德ECOnversion運行模式，大幅降低能耗成本。同時，Galaxy VM具備先進的電氣性能，如超寬輸入電壓範圍、高超載能力、高短路電流能力，以及內置的饋電保護等，可無縫接入電網，提供較佳的電能品質，並能輕易地整合至設備監控系統中。

圖4 Galaxy VM透過高效運行模式以及施耐德ECOnversion運行模式，大幅降低能耗成本。

因應5G世代　電源供應商早有準備

隨著4G基礎建設已大致建置完成，5G雖還未有確定的發展進程，但電源供應商卻早已心有腹案，以因應5G世代到來。黃仁凱表示，過往3G轉4G最大差異就是傳輸速率改變，目前4G網路的設備體積愈來愈小，但集中密度越來越高，所產生的熱也愈來愈多。未來從4G到5G，此一趨勢依舊不會改變，也就是傳輸效率更快，但是所產生的熱與占地面積會更集中。因此，從施耐德這類的電源解決方案供應商來看，需要解決的還是功率消耗及散熱的問題。然而，針對此一問題，黃仁凱認為，目前施耐德的解決方案，如UPS已相當齊全，只須知道耗電量多少，便可因應其需求調整UPS的電源配置，滿足客戶需求。換言之，5G通訊的發展，對施耐德目前布局電源市場而言，並未產生太大的影響。

針對未來5G世代，張仁程則說，未來5G除了傳輸速率越來越快之外，其相關元件的製程也會越來越小，從目前的14∼16奈米，可能慢慢轉換至10奈米。因此，往後中央處理器(CPU)的電壓勢必會越來越低，若要從通訊電壓48V直接轉換到低電壓，依照傳統架構，勢將會損失許多功耗；而採用二階段轉換，同樣也會造成兩次功率損失。為此，如同前面所提到，Vicor發展出FPA技術，可進行一階段的高壓至低壓轉換，使功率損耗降至最低；即便5G時代來臨，這項技術也可在未來的通訊基站或資料中心發揮效用。

快捷半導體雲端電源解決方案總經理Tom Truman則認為，5G時代其中一個最大的預期變化是，轉為標準伺服器進行5G系統基頻處理。由於開始加速生產這些系統，這將進一步提升伺服器電源解決方案的增長機會。另外，大功率PoE將越來越多應用於對小型單體接入點及微型蜂窩接入點供電，這將為PoE解決方案創造增長機會，特別是提供高效率及高密度解決方案。

綜上所述，5G發展進程雖還不明朗，但眾家電源方案供應商在搶占4G商機時，也已悄悄布局5G市場，只待東風一起，便積極出擊。可想而知，數年後的5G通訊電源市場，勢必將引發更加激烈的軍備競賽。