世界電源市場漫步

　　在電子信息技術領域里所謂電源，是指為電子設備工作所需的能源，常用的包括市電和電池等。今天，電子信息技術所用電力不小，據美國統計，已占到世界總消費電力的14%，次于發動機(占51%，最大）、照明(19%)、空調(16%)，屬四大電力消費部門之一。

　　由于環保以及原油價格的不穩定，太陽電池近年受到政府的支持而發展迅速。上世紀90年代起步生產的太陽電池，而今世界生產總量已達1700MW。據日本統計，2005年用于生產太陽電池的多晶硅約1萬噸，占當年世界多晶硅產量的1/3，2007年有望達到2萬噸，同年半導體產品所需的多晶硅據WSTS預測為2.5萬噸，兩項合計共4.5萬噸，而預計產量為3.6萬噸，存在著9000萬噸的缺口，這是半導體生產面臨的一大問題，值得引起注意。據稱，日本Sharp公司將以液晶電視和太陽電池為公司兩大主打產品，引導產業前進。

　
圖1　充電電池重量能量密度的比較

　　干電池是電子產品常用的電源之一，估計世界市場在300億美元左右。近年使用干電池的電子設備已普及，加上為了能重復使用而轉向充電電池，因此干電池的總需求量已趨飽和，但隨著便攜游戲機、電子玩具、便攜音頻播放機、電子辭書市場的擴大，總需求量呈現回潮的趨勢，尤其是長壽命堿性電池、鋰電池、鎳干電池等高附加值產品表現突出，從日本市場看，去年堿性電池的銷量已占全部電池的85%左右。不過，數碼相機、PDA等常用鋰離子和鎳氫為主的小型充電電池，這是導致干電池難于繼續發展的又一原因。電池看起來很不起眼，但一生問題卻是要命的。去年以來，全球“電池門”事件不絕于耳。戴爾、蘋果、聯想、IBM相繼召回筆記本電腦用鋰離子電池，日前聯想又召回20萬塊“過熱”電池。這對各方都帶來損失，去年生產電池的日本Sony公司為此損失2億美元，三洋公司也有牽連。

　
圖2　電源用半導體市場

　　采用市電，則需要通過能使電壓升降的電源元件，過去曾普遍使用變壓器，由于它身重體大，逐漸淡出市場，近年已大量使用輕量、小型、高效的半導體開關電源。當然，變壓器也在走小型化的道路，并提高變換效率，現常見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，與傳統變壓器相比，它不僅縮小了體積，而且抑制了大電流發熱。扼流圈常用于便攜電子設備的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，電子設備配置的電源，正從升降電壓的變壓器轉向開關電源、DC-DC變換器和變流器等。以電池作為電源的便攜電子設備，則常會用到DC-DC變換器。作為下一代電源，采用DSP控制電源的數字電源已開發成功，進入產品化階段。

　　據WSTS(世界半導體貿易統計協會)預測，世界電源用半導體將從2005年的152億美元，約占全體半導體的7%，成長到2009年的197億美元，年均增長率約7%(圖2），其中電源管理用的MOSFET更達到9%，前景樂觀。

　
圖3　日本開關電源的生產

　　開關電源是一種受控的穩定直流電源。輸入的市電或直流電源，通過半導體高速開關將幾十KHz變為數MHz的高頻電力進行控制、整流從而得到穩定的直流。開關電源的特點是體小量輕效率高，因而包括信息設備和通信設備，幾乎可用作所有電子設備的電源。變換效率達70～90%。作為穩定直流的控制方式，還有壓降方式、閘流管控制方式等，但開關方式已獨占市場的90%。據日本經濟產業省的統計，日本國內開關電源的生產(圖3）從2004年開始增產，2005年略增2.6%，2006年估計續增4.7%，達1300億日元(約合11.6億美元)。產量由于工廠外移而呈減少的趨勢，但面向工業用電子產品的高附加價值產品比重正日益增高。

　　開關電源常在電子設備設計的最終階段電源設計時方才碰到，多用定制電源，因此從總產值看，定制電源已占78%，標準電源僅占22%，最近，為適應產品復雜化，要求多種輸出電源，可以選擇輸出電壓和電流，廠商正強化半定制產品的開拓生產。

　　傳統上常用于電源的功率晶體管，近年為追求產品輕薄短小，提高變換效率而推進高頻化，轉而采用Power MOSFET，但為減少其工作電阻，當前面臨的一大課題是如何減少導通電阻。由于汽車、數字家電和移動電話等的急速發展，用于驅動馬達、控電電池充放電的MOSFET市場，每年將以10%的速度前進。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,業界正開發采用SiC的Power MOSFET。

　
圖4　世界穩壓器市場

　　穩壓器(regulator IC)是應對電源變動，使電子設備各模塊獲得穩定電壓的器件。據報道，包括低壓、低壓降線性穩壓器，高電流線性穩壓器，低功率開關模式穩壓器，電池充電控制器等在內的世界穩壓器市場將從2005年的57億美元，成長到2010年的81億美元，年均增長率9.3%(圖4)。計算機板設計得將用更具效率的中間總線變換器和高效負載點(Point of load)變換器取代穩壓器，而移動手持設備則仍將繼續大量使用獨立的穩壓器。穩壓器的平均價格將不斷走低，從11美分逐漸向著1美分前進。

　　最近，在筆記本電腦等產品中的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)穩壓器的需求相當大。

　　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，除通過提高開關頻率以改善變換效率以外，使用少量外加元件的產品也有所增加。此外，為適應低電壓、大電流必須提高高速負載響應。為此，在輸出電壓控制方面采用電流反饋方式的產品以及通過數字信號來高速輸出電壓的DC-DC變換器相繼登場。隨著電子產品的小型化，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備多樣化過程中，使電池工作時間盡量延長的一種器件。它在節電方面發揮巨大作用，正在走高性能、高集成、小型化的道路。開發上市新產品有采用8位微控制器以監視電池殘量數據的單片混合IC等。當下，對大屏幕平板電視、背投電視、筆記本電腦，甚至臺式PC和服務器的節電意識也正日益增強，大有助于電源管理器件市場的開拓。電池保護用器件，主要用于急劇增加的鋰離子二次電池的充放電進行保護。它能檢查出過量充電、過量放電和過量電流等，市場引人注目。

　　二極管常用于交流變直流，或防止電流反流和保護電路。整流用二極管包括PN結快速恢復二極管和肖特基勢壘二極管。前者正在開發高耐壓超高速和改善VF(順方向降壓)特性的產品。等離子電視為提高畫質不僅要耐350~400V高壓的二極管，同時還要求高速低VF產品。肖特基勢壘二極管用于數碼相機和移動電話所使鋰離子電池的保護，防止DC-DC變換器的反向電流和保護電路。正在開發200V的高耐壓產品，并期待用作電源二次整流器件。