世界電源市場(chǎng)漫步

　　在電子信息技術(shù)領(lǐng)域里所謂電源，是指為電子設(shè)備工作所需的能源，常用的包括市電和電池等。今天，電子信息技術(shù)所用電力不小，據(jù)美國(guó)統(tǒng)計(jì)，已占到世界總消費(fèi)電力的14%，次于發(fā)動(dòng)機(jī)(占51%，最大）、照明(19%)、空調(diào)(16%)，屬四大電力消費(fèi)部門之一。

　　由于環(huán)保以及原油價(jià)格的不穩(wěn)定，太陽(yáng)電池近年受到政府的支持而發(fā)展迅速。上世紀(jì)90年代起步生產(chǎn)的太陽(yáng)電池，而今世界生產(chǎn)總量已達(dá)1700MW。據(jù)日本統(tǒng)計(jì)，2005年用于生產(chǎn)太陽(yáng)電池的多晶硅約1萬(wàn)噸，占當(dāng)年世界多晶硅產(chǎn)量的1/3，2007年有望達(dá)到2萬(wàn)噸，同年半導(dǎo)體產(chǎn)品所需的多晶硅據(jù)WSTS預(yù)測(cè)為2.5萬(wàn)噸，兩項(xiàng)合計(jì)共4.5萬(wàn)噸，而預(yù)計(jì)產(chǎn)量為3.6萬(wàn)噸，存在著9000萬(wàn)噸的缺口，這是半導(dǎo)體生產(chǎn)面臨的一大問(wèn)題，值得引起注意。據(jù)稱，日本Sharp公司將以液晶電視和太陽(yáng)電池為公司兩大主打產(chǎn)品，引導(dǎo)產(chǎn)業(yè)前進(jìn)。

　
圖1　充電電池重量能量密度的比較

　　干電池是電子產(chǎn)品常用的電源之一，估計(jì)世界市場(chǎng)在300億美元左右。近年使用干電池的電子設(shè)備已普及，加上為了能重復(fù)使用而轉(zhuǎn)向充電電池，因此干電池的總需求量已趨飽和，但隨著便攜游戲機(jī)、電子玩具、便攜音頻播放機(jī)、電子辭書市場(chǎng)的擴(kuò)大，總需求量呈現(xiàn)回潮的趨勢(shì)，尤其是長(zhǎng)壽命堿性電池、鋰電池、鎳干電池等高附加值產(chǎn)品表現(xiàn)突出，從日本市場(chǎng)看，去年堿性電池的銷量已占全部電池的85%左右。不過(guò)，數(shù)碼相機(jī)、PDA等常用鋰離子和鎳氫為主的小型充電電池，這是導(dǎo)致干電池難于繼續(xù)發(fā)展的又一原因。電池看起來(lái)很不起眼，但一生問(wèn)題卻是要命的。去年以來(lái)，全球“電池門”事件不絕于耳。戴爾、蘋果、聯(lián)想、IBM相繼召回筆記本電腦用鋰離子電池，日前聯(lián)想又召回20萬(wàn)塊“過(guò)熱”電池。這對(duì)各方都帶來(lái)?yè)p失，去年生產(chǎn)電池的日本Sony公司為此損失2億美元，三洋公司也有牽連。

　
圖2　電源用半導(dǎo)體市場(chǎng)

　　采用市電，則需要通過(guò)能使電壓升降的電源元件，過(guò)去曾普遍使用變壓器，由于它身重體大，逐漸淡出市場(chǎng)，近年已大量使用輕量、小型、高效的半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)電源。當(dāng)然，變壓器也在走小型化的道路，并提高變換效率，現(xiàn)常見(jiàn)的有采用鏈接扼流圈、反激和正激方式的小型變壓器，前兩種適于小容量，最后一種適于中、大容量應(yīng)用。鐵芯材料采用軟磁鐵氧體，為大幅減少鐵損而使用錳鋅鐵氧體，與傳統(tǒng)變壓器相比，它不僅縮小了體積，而且抑制了大電流發(fā)熱。扼流圈常用于便攜電子設(shè)備的DC-DC變換器以及CPU的外圍電源，鐵芯材料采用高飽和磁通量密度的鐵氧體和非晶體。

　　近年，電子設(shè)備配置的電源，正從升降電壓的變壓器轉(zhuǎn)向開(kāi)關(guān)電源、DC-DC變換器和變流器等。以電池作為電源的便攜電子設(shè)備，則常會(huì)用到DC-DC變換器。作為下一代電源，采用DSP控制電源的數(shù)字電源已開(kāi)發(fā)成功，進(jìn)入產(chǎn)品化階段。

　　據(jù)WSTS(世界半導(dǎo)體貿(mào)易統(tǒng)計(jì)協(xié)會(huì))預(yù)測(cè)，世界電源用半導(dǎo)體將從2005年的152億美元，約占全體半導(dǎo)體的7%，成長(zhǎng)到2009年的197億美元，年均增長(zhǎng)率約7%(圖2），其中電源管理用的MOSFET更達(dá)到9%，前景樂(lè)觀。

　
圖3　日本開(kāi)關(guān)電源的生產(chǎn)

　　開(kāi)關(guān)電源是一種受控的穩(wěn)定直流電源。輸入的市電或直流電源，通過(guò)半導(dǎo)體高速開(kāi)關(guān)將幾十KHz變?yōu)閿?shù)MHz的高頻電力進(jìn)行控制、整流從而得到穩(wěn)定的直流。開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)是體小量輕效率高，因而包括信息設(shè)備和通信設(shè)備，幾乎可用作所有電子設(shè)備的電源。變換效率達(dá)70～90%。作為穩(wěn)定直流的控制方式，還有壓降方式、閘流管控制方式等，但開(kāi)關(guān)方式已獨(dú)占市場(chǎng)的90%。據(jù)日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省的統(tǒng)計(jì)，日本國(guó)內(nèi)開(kāi)關(guān)電源的生產(chǎn)(圖3）從2004年開(kāi)始增產(chǎn)，2005年略增2.6%，2006年估計(jì)續(xù)增4.7%，達(dá)1300億日元(約合11.6億美元)。產(chǎn)量由于工廠外移而呈減少的趨勢(shì)，但面向工業(yè)用電子產(chǎn)品的高附加價(jià)值產(chǎn)品比重正日益增高。

　　開(kāi)關(guān)電源常在電子設(shè)備設(shè)計(jì)的最終階段電源設(shè)計(jì)時(shí)方才碰到，多用定制電源，因此從總產(chǎn)值看，定制電源已占78%，標(biāo)準(zhǔn)電源僅占22%，最近，為適應(yīng)產(chǎn)品復(fù)雜化，要求多種輸出電源，可以選擇輸出電壓和電流，廠商正強(qiáng)化半定制產(chǎn)品的開(kāi)拓生產(chǎn)。

　　傳統(tǒng)上常用于電源的功率晶體管，近年為追求產(chǎn)品輕薄短小，提高變換效率而推進(jìn)高頻化，轉(zhuǎn)而采用Power MOSFET，但為減少其工作電阻，當(dāng)前面臨的一大課題是如何減少導(dǎo)通電阻。由于汽車、數(shù)字家電和移動(dòng)電話等的急速發(fā)展，用于驅(qū)動(dòng)馬達(dá)、控電電池充放電的MOSFET市場(chǎng)，每年將以10%的速度前進(jìn)。作為液晶背光電源的換流器，電壓正從16V提高到24伏，需要耐高壓(45~60V)的POWMOSFET,業(yè)界正開(kāi)發(fā)采用SiC的Power MOSFET。

　
圖4　世界穩(wěn)壓器市場(chǎng)

　　穩(wěn)壓器(regulator IC)是應(yīng)對(duì)電源變動(dòng)，使電子設(shè)備各模塊獲得穩(wěn)定電壓的器件。據(jù)報(bào)道，包括低壓、低壓降線性穩(wěn)壓器，高電流線性穩(wěn)壓器，低功率開(kāi)關(guān)模式穩(wěn)壓器，電池充電控制器等在內(nèi)的世界穩(wěn)壓器市場(chǎng)將從2005年的57億美元，成長(zhǎng)到2010年的81億美元，年均增長(zhǎng)率9.3%(圖4)。計(jì)算機(jī)板設(shè)計(jì)得將用更具效率的中間總線變換器和高效負(fù)載點(diǎn)(Point of load)變換器取代穩(wěn)壓器，而移動(dòng)手持設(shè)備則仍將繼續(xù)大量使用獨(dú)立的穩(wěn)壓器。穩(wěn)壓器的平均價(jià)格將不斷走低，從11美分逐漸向著1美分前進(jìn)。

　　最近，在筆記本電腦等產(chǎn)品中的CPU要求低電壓大電流，此外，IC、LSI的輸出入電壓差比較小，因此LDO(低壓降)穩(wěn)壓器的需求相當(dāng)大。

　　DC-DC變換器是使直流電源升降電壓的IC器件，用于變換板上的電壓。近來(lái)，除通過(guò)提高開(kāi)關(guān)頻率以改善變換效率以外，使用少量外加元件的產(chǎn)品也有所增加。此外，為適應(yīng)低電壓、大電流必須提高高速負(fù)載響應(yīng)。為此，在輸出電壓控制方面采用電流反饋方式的產(chǎn)品以及通過(guò)數(shù)字信號(hào)來(lái)高速輸出電壓的DC-DC變換器相繼登場(chǎng)。隨著電子產(chǎn)品的小型化，小體積和低成本的DC-DC變換器大行其道。

　　電源管理器件是在便攜電子設(shè)備多樣化過(guò)程中，使電池工作時(shí)間盡量延長(zhǎng)的一種器件。它在節(jié)電方面發(fā)揮巨大作用，正在走高性能、高集成、小型化的道路。開(kāi)發(fā)上市新產(chǎn)品有采用8位微控制器以監(jiān)視電池殘量數(shù)據(jù)的單片混合IC等。當(dāng)下，對(duì)大屏幕平板電視、背投電視、筆記本電腦，甚至臺(tái)式PC和服務(wù)器的節(jié)電意識(shí)也正日益增強(qiáng)，大有助于電源管理器件市場(chǎng)的開(kāi)拓。電池保護(hù)用器件，主要用于急劇增加的鋰離子二次電池的充放電進(jìn)行保護(hù)。它能檢查出過(guò)量充電、過(guò)量放電和過(guò)量電流等，市場(chǎng)引人注目。

　　二極管常用于交流變直流，或防止電流反流和保護(hù)電路。整流用二極管包括PN結(jié)快速恢復(fù)二極管和肖特基勢(shì)壘二極管。前者正在開(kāi)發(fā)高耐壓超高速和改善VF(順?lè)较蚪祲?特性的產(chǎn)品。等離子電視為提高畫質(zhì)不僅要耐350~400V高壓的二極管，同時(shí)還要求高速低VF產(chǎn)品。肖特基勢(shì)壘二極管用于數(shù)碼相機(jī)和移動(dòng)電話所使鋰離子電池的保護(hù)，防止DC-DC變換器的反向電流和保護(hù)電路。正在開(kāi)發(fā)200V的高耐壓產(chǎn)品，并期待用作電源二次整流器件。