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IR:定义电源管理领域的“摩尔定律”

高工
2007-09-20 14:33:17    评分

 

  “ 在数字IC方面,是否能够赶上摩尔定律,关键是看你是否能够实现更小的线宽,但在电源管理领域,关键是看你是否有能力将多种技术整合在一起,这样才能实现技术蓝图的进一步推进。 ”

  在过去的十年中,普通大众已经习惯了用CPU的线宽和主频作为度量半导体产业发展速度的标尺,而作为“配角”的电源管理器件在相当长的时间里似乎被人们忽视了。尽管如此,今天的事实证明,电源管理技术非但没有退出舞台,反而以自己独特的发展方式实现了不逊于摩尔定律的发展速度。

  在与作为国际整流器公司(IR)—— 一家半个世纪以来一直专注于电源管理领域的半导体公司CEO Alex Lidow博士的对话中,我们不难体会到来自电源管理界的自豪、信心和技术理想。

  定位电源管理

  EDN China:作为IR的领导者,你对公司的定位是怎样考虑的?

  Alex Lidow:IR是一家从事电源管理的公司。最早的电源管理就是把交流电转化为直流电。在1947年,这样一个动作叫做“整流”。到了今天,我们公司的名称“IR”翻译成中文就是“国际整流器公司”,也就是等同于“国际电源管理公司” 

  公司的创立者是我的父亲,他在二战前学过电子工程。当他成立这个公司的时候,他觉得IR可以成为世界上电源管理领域的领先者。经过58年的运作,可以说IR已经成为电源管理领域的技术先锋和市场开发的领先者。全球的电源管理市场发展十分迅速,目前的规模为130亿美元,我们预计到2013年该市场规模将增长到700亿美元。

  我们选择两个领域作为发展的重点。第一个重点是为IT业提供所需要的能源,它占了我们现有业务的一半,今后这一业务领域的年均发展速度将为20%~25%。第二个重点就是我们所说的电机变速控制,它有助于降低系统成本,并帮助全球节约10%的电力消耗。如果将这一技术用到汽车行业上,则可以使所有汽车节省一半的燃油消耗。现在,我们公司的人力主要投入在这两个关键领域。

  EDN China:你认为我们应该如何去理解电源管理在整个电子业发展中所起的作用呢?

  Alex Lidow:电源管理在为数字化未来提供动力支持方面是非常重要的。

  随着我们对计算机、服务器、路由器、电信设备计算能力的要求越来越高,功率器件要求的功率密度也越来越大。根据摩尔定律,现在计算机设备的计算能力的发展速度极快。与此同时,还有一个定律来描述它们所消耗掉的能量。根据我们的观察,功率密度每年的增长幅度是15%。这个增长速度体现在晶体管数目的增长、模拟IC、混合信号IC、数字IC技术、新技术架构等各个方面的发展。

  电源管理的另一应用领域是节能。我们知道,在中国电能的生产是有限的。而电力瓶颈会妨碍经济的进一步发展,也降低了人们的生活质量。如果我们能找到一种新方法,去更有效地使用电能,就能支持和推动中国经济的发展,提高人们的生活水平。我们把节能的重点放在了电机驱动这一领域,因为这一块的节能空间最大。同时,这一技术也可以帮助我们制造成本更低、更节能高效的日光灯。

  EDN China:刚才你提到了节能,你认为中国目前的能源使用现状是如何的?中国是个成本敏感型的市场,我们该如何评估节能所需的成本?
  Alex Lidow:中国目前大部分的电能都是被电机消耗掉的,而其中58%的电机都是普通的单相电机,它们的控制设备就是一些简单开关,这造成其中一半的电能都被白白浪费掉了。如果我们更换这些开关,采用永磁电机,改进算法,就可以节约一半的电能。但问题是,进行这种改良的成本有多大?

  如果我们花1000美元的成本来改造我们的控制系统,只节约10美元,那么是毫无意义的。根据我们的经验,全球的消费者,如果让他们花1美元节省10美元,他们都不愿意。所以要让他们购买节能产品,通常是要么他们没有其他选择,要么这种节能产品给他们增加的成本是零。而把这些节能产品在不增加任何成本的情况下提供给消费者,是对我们IR公司的一大挑战。

  所以,我们对自己内部的成本也设定了一个目标,这很有意思。就是说,我们要设计的系统,它的成本必须和一个简单机电系统的成本一样,也就是我们要考察整个系统。这就要求我们的技术人员不仅懂得数字IC,也懂得运动控制算法、软件方面的知识。

  定义IR的速度

  EDN China:我们知道,逻辑器件一直是遵循摩尔定律高速发展着,而有人认为与其相比电源管理领域的发展似乎没有这样的速度,你感觉是这样吗?

  Alex Lidow:我不认为这种观点是正确的,我认为电源管理领域的发展也是符合摩尔定律的。

  比如今天在针对1000W服务器的典型AC/DC系统中,其最高的电源效率为92%,也就是说它的功率损耗是8%。根据摩尔定律,集成电路中的晶体管数量每两年会增加一倍,相应的电源管理领域所损耗的功率也将减少一半。如果采用了IR的场效应管和FPC二极管之后,效率可以提高到93.6%,换句话说,就是减少了15%的功率损耗。而如果采用了我们新推出的IR1150 FPC电路,省去了输入桥这个环节,就可以实现95.6%的效率。再过一年半,如果我们采用非硅材料的晶体管,效率还将达到97.5%。所以我们在三年之内,将把功率损耗从8%降低到2.5%的水平,可以说这个速度是非常快的,这就是在我们这个行业中所体现出的摩尔定律。

  在DC/DC领域,情况也相类似。MOSFET的开关性能在过去的四年中提高了10倍。另外一个例子是,在DC/DC方面IR采用的是DirectFET封装,这使得热量可以同时从器件的顶部和底部散发,从而就将功率密度提高了一倍。同时我们将封装造成的电阻从毫欧姆级降低到百微欧姆级,也是降低了十倍,这也是在过去的四年中取得的成绩。从整个系统的效率来看,采用我们第一代的XPhase架构和DirectFET封装技术,系统的效率可以达到88%,也就是说损耗为12%——这已经是目前世界上的最好水平了。如果采用了我们第二代XPhase架构和新的场效应管后,总的效率可以达到89.5%。而我们的第三代产品的系  统总效率可以达到92%。到了第四代产品,系统效率会达到了93%。这样我们使系统的损耗差不多减少了一半。

  EDN China:同样的发展速度在运动控制方面有所体现吗?

  Alex Lidow:在运动控制方面我们要考虑的是系统中的各个环节及其相关技术,其中最大的创新在于它的控制方法。

  所有的电机控制,通常采用微控制器或者DSP来实现数字控制的部分。但是微控制器和DSP只是计算部分,只是做加减乘除,但是电机并不是这样运转的。而且微控制器和DSP属于序列器件,需要先完成一个任务之后,停下来然后再完成下一个任务。但有的时候来的指令的优先次序是相互冲突的,这就导致了微控制器或DSP出现混乱,进而停止工作,那么在整个电机控制回路中,你就很难判断何时微控制器会停下来给出你所需要的结果。目前最好的DSP可以也只能在50ms中实现一个扭矩运算,这样的速度就限制了每安培可以实现的动作。

  IR的解决方案是将整个算法打碎了,分解为一个个的独特的算法,并将其固化在数字逻辑器件中。同时在所有固化了算法的逻辑器件之上,我们设置了一个调配器,通过这样一个调配器,可以将所有硬件算法连接起来。而且由于所有的算法是通过硬件连接起来的,因此你可以准确的知道何时出现你所需要的结果。

  如刚才所说,目前最好的DSP由200万个晶体管组成,可以实现1GHz的运算速度,可以在50ms中完成扭矩运算。而我们的器件规模只有5万门,整个回路的运算在5ms内完成,因此可以说在成本和速度上都创造了一个纪录。

  EDN China:你认为驱动电源领域技术高速发展的因素是什么?

  Alex Lidow:在数字IC方面,是否能够赶上摩尔定律,关键是看你是否能够实现更小的线宽,但在电源管理领域,关键是看你是否有能力将多种技术整合在一起,这样才能实现技术蓝图的进一步推进。

  面临电源管理领域的挑战,我们意识到,要想很好应对这一挑战,必须采用多种不同的技术,包括软件、模拟IC、混和信号IC、数字IC、分立元件、封装技术等等。为了应对这一挑战,IR采取的方式是,要么自己开发,要么购买拥有这一技术的公司。这种策略我们称之为“技术池”,也就是将相关的技术聚集到一起,用于解决遇到的课题。而其他公司通常的方法,主要是立足于自己的某一技术优势。可以说,我们找到了最好的方法,而且我们的技术是专属性的,也就是除了我们之外,其他的公司都没有掌握这种技术。所以,在世界上的电源管理领域,IR处于十分独特的地位。在过去五年中,IR的发展速度是整个业界的两倍。

  看重中国人才

  EDN China:能否谈谈你对中国市场的感受?IR在中国市场的机会在哪里?

  Alex Lidow:IR一直非常重视中国市场,已经来这里开展业务11年了。我们并不是把中国看作一个劳动力便宜的市场,我们把这里看作世界上人才聚集最多的地方。通过和客户、设计公司的业务往来,我们接触到很多这样的人才;通过与高校、研究机构的合作关系,我们也可以获得高素质的人才。此外,我们和一些客户也建立了更深入的关系。例如,我们和美的集团合作成立了一家研究所,主要开发用于家电的变速控制技术。我们已经看到这类合作在高速增长的市场上带来的好处。2003财年,我们在中国市场的增长幅度为50%,2004财年也增长了20%。
 
  正是因为在中国有这么多工程师和人才,所以我们要在这里设立制造基地和设计中心。也正是由于拥有这一大批技术人才,对中国公司来说,在世界上拓展业务有非常好的机遇。我们认为,在中国市场最好的业务机遇就是进行原创性的研发工作。比如说,我们在中国看到很多原创性的节能研究成果,例如,在冰箱、空调、洗衣机、泵、照明等方面,都有很多节能技术。我们会把重点放在这部分的中国客户身上。上述领域的中国厂商,在过去10年中,他们已经从主要满足国内需求变为面向世界需求的供应商。所以我们说,IR在中国的最大机遇,就是和这些很有才华的工程师进行合作。

  在未来几年内,IR在西安的工厂和设计中心的总员工数将从目前的250人增长到2000人。目前,我们40%的收入来自亚太地区,其中中国是最大的一块,也是增长速度最块的。




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