能源是發(fā)展人類文明的重要起源，而這把火炬，顯現在電子元件領域，便是電源元件。電源不僅是啟動任何電子元件的根本，更是決定元件系統(tǒng)是否能夠達到最佳效能與發(fā)揮最大應用潛能的決勝關鍵。
也因此，電力電子元件設計與制造領域的產業(yè)要角，必須在開發(fā)設計、性能模擬與應用選擇上進行多方考量，電源元件供應大廠也各自提出相對復雜且多樣的產品規(guī)劃與市場布局，以滿足高壓、高頻、大電流、高溫等在不同電源應用中承受各式工作狀態(tài)的產品性能需求。
就電源系統(tǒng)的整體設計而言，電流、電壓與系統(tǒng)控制為影響元件性能的主要因素。隨著人工智能、5G、物聯(lián)網等需要高速或大量資料傳輸的無線通訊或智能元件擴大在日常中的應用范疇，整合電壓控制、電流控制與電源管理的整合式元件，其開發(fā)需求也灼灼轉為顯性。
根據市調機構Yole Developpement（Yole）于2019年底發(fā)表的市場報告，電源管理芯片的整體市場規(guī)模將以1.9%的年復合成長率，自2018年的191億美元成長至2024年的213億美元。其中，消費性與通訊為最主要應用，占近50%；第二大應用則是工業(yè)，緊追在后的則是車用與交通應用。
今（2020）年更是彰顯電源元件在電子產業(yè)獨特性的重要一年，疫情驅動的數位轉型急勢，進階牽引了消費性電子產品的市場需求，商用5G服務、智能交通與制造應用更為深廣的觸角，也加速納入各大垂直產業(yè)的未來進程，總歸反映在電源元件的供不應求，以及相關廠商的擴大投資與布局。
就電源元件類型而言，Yole報告也分析，電源管理芯片（power management IC；PMIC）主要可分為傳統(tǒng)PMIC與特定PMIC，前者以低成本為導向，后者則更強調高效能與低功耗。
Yole電力電子與化合物半導體技術與市場分析師Ana Villamor指出，社會改變以及策略性決策是驅動未來電源管理芯片市場的兩大要素。
換句話說，由于電源芯片在電子元件功能中顯著的根本地位，加上驅動該市場發(fā)展動向的要素，受到諸如跨國商業(yè)布局與各國政府政策等大規(guī)模局勢變動影響甚巨，不論在降低成本或提升性能上，任何的產品優(yōu)化或升級必是耗費不貲且歷時長遠。
因此，為了在這塊戰(zhàn)略影響深遠的電源芯片之戰(zhàn)占有一席之地，身為全球供應鏈中的產業(yè)要角，勢必采取相對嚴謹且全面性的產品開發(fā)計劃。
Villamor進一步說明：「電源管理芯片的各大制造商，但凡在財務允許的情況下，便會以戰(zhàn)略性決策的格局，投入300mm晶圓制造的開發(fā)選項，以增加產品利潤與企業(yè)營收，而不需并購其他公司。」
本期CTIMES封面故事就電源芯片在電子元件市場的戰(zhàn)略地位重要性，以及長期發(fā)展的關鍵技術趨勢，整理出CTIMES讀者們針對供應品牌、采購因素與2020年新品三大面向的現況觀點，近身感受驅動元件在系統(tǒng)整合、效能革命與應用拓展上發(fā)散光熱的電源技術發(fā)展核心。
系統(tǒng)整合是電源元件關鍵產業(yè)共生各占鰲頭
省電、輕巧、具備量產優(yōu)勢的成本，是電源芯片在市場上展現絕對優(yōu)勢的特點；然而，隱于這些耀眼規(guī)格之下電源芯片的核心技術，其實是系統(tǒng)整合，尤其在無線連接當道的電子時代，電池供電系統(tǒng)對于能耗、系統(tǒng)整合度的期望也更為嚴苛。更準確地來說，電源管理技術，就是實現元件系統(tǒng)級優(yōu)化的核心技術之一。
舉例而言，最新5G手機為了支援高速、寬頻的網絡傳輸工作，在電源管理芯片上也必須采用多顆芯片，以實現最佳的電池供電使用體驗。而要最佳化電源元件的系統(tǒng)性能，開發(fā)人員可謂任重道遠，操手自前端的晶圓制造和制程選擇，到后端的IC設計與模擬驗證，各大供應品牌因此提出了相應的指標性制程技術或參考設計，以產業(yè)共生模式聚集而來的研發(fā)之力，延續(xù)電源技術的創(chuàng)新突破。
這也能說明，此次電源元件的市場調查中，在使用經驗與整體評價上，總計13家的供應品牌獲得滿分評價的比例各占鰲頭，幾乎可說是完全競爭市場。
量產激增的關鍵：12吋晶圓廠開枝散葉
占比超過10%的三大品牌：德州儀器（TI）、亞德諾半導體（ADI）與英飛凌（Infineon）皆掌握了從設計、模擬、制造到銷售的完整功率元件技術，從而以全面性的軟硬件資源支援開發(fā)人員，進行高性能電路模擬、混合與數位訊號處理、用于SoC、FPGA與ASIC等具備不同系統(tǒng)整合與客制化程度處理器的電力驅動設計，實現功率元件的整體性能優(yōu)化。
在設計方面，德州儀器（TI）提供相對多元的模擬軟件與開發(fā)工具，例如其借助EDA大廠益華電腦（Cadence）的高性能模擬技術，于今（2020）年最新推出之PSpice for TI模擬器，整合了TI在電源與訊號處理兩大領域的模型庫，能協(xié)助芯片設計人員全功能驗證類比電路，縮短研發(fā)時間之外，更能以系統(tǒng)層面進行整體效能升級。
就制程而言，擴充12吋（300mm）晶圓的制造產能，是電源芯片供應大廠共同視為炙手可熱的發(fā)展目標，進而以自動化基礎設施達成低成本、高量產的電源產品應用。
Yole Developpement就點出，其實不只是德州儀器，英飛凌近兩年更在其全球制造版圖加速部署12吋晶圓廠，首座廠房已于2018年在奧地利落成，第二座廠房也將于2021年在德國完工。
該報告也圈點制程技術之于電源芯片生產與性能的重要性。意法半導體（ST）就鎖定了「雙極—互補金氧半—雙重擴散金氧半制程（bipolar-CMOS-DMOS；BCD）」在12吋晶圓市場的布局，借此不僅可降低電源元件的功率耗損，更能大幅節(jié)省封裝成本，大大加速智能功率元件、功率MOS與IGBT等產品系列的開發(fā)與制造。
除了自建廠房，也有電源芯片供應大廠采取收購措施，以在電源市場的搶占量產先機。安森美半導體（ON Semiconductor）便于2019年宣布收購格羅方德（Global Foundries）的12吋晶圓廠，強化其功率與類比產品在先進CMOS制程、45nm與65nm技術節(jié)點的生產力道。
國際半導體產業(yè)協(xié)會（SEMI）看好這項趨勢，據其最新報告，受今（2020）年疫情帶動的數位轉型需求影響，12吋晶圓廠的投資總額將凌駕于2018年紀錄，以13%年增長率（YoY rate）成長，預計至2024年全球將增設至少38座12吋晶圓廠，其中，設于中國之廠房占了半數，臺灣則坐落11間。
垂直與水平雙向并購加速卡位熱門市占
透過擴大晶圓產能，電源元件供應大廠得以支援各式元件的大規(guī)模應用，然而，隨著電子產品對小尺寸和低功耗的規(guī)格要求越來越高，輕重負載之間的功率轉換效率、開關頻率、響應速度、功率與電流密度在電源系統(tǒng)的重要性也隨之高漲，主要目標市場包括消費性電子、車用電子（例如汽車資訊娛樂系統(tǒng)與ADAS）、工業(yè)、通訊和網絡應用。
其中，消費性電子為電源管理芯片市場最大宗的應用，智能型手機的電源管理解決方案更是該應用的開發(fā)重點。戴樂格半導體（Dialog）的電源管理解決方案便于2018年由手機大廠蘋果并購，顯現電源技術在行動與智能運算效能躍升的智能型手機中，成為潛在的關鍵指標。此外，Dialog更持續(xù)擴充其輔助電源管理系列（sub-PMIC）產品，以觸及更多在智能型手機、SSD、HDD、Wi-Fi模組中廣泛采用的Arm核心處理器，在芯片系統(tǒng)復雜化的同時，實現低功耗的電源控制與運作。
此外，在工業(yè)與車用電子等熱門市場，對元件內部保護功能（包含絕緣、散熱、溫度感測、電壓波動的過沖抑制能力），以及介面或音訊功能，更有相關嚴謹的可靠性與安全標準。
針對智能工業(yè)與電網系統(tǒng)等大規(guī)模的電力運作系統(tǒng)，同步運作、穩(wěn)定的電力傳輸與分配至關重要。電子元件美商Microchip日前宣布收購網絡時間服務器（Network Time Server）與同步解決方案開發(fā)商Tekron，憑借Tekron在電力基礎設施領域的網絡同步技術，提供其在智能電網與工業(yè)電力系統(tǒng)更高的可靠性與穩(wěn)定度。
在車載電子領域，常見標準包括驗證主動元件失效應力的AEC-Q100，以及安全完整性最高等級ASIL-D等。全球車用電子第一大廠恩智浦半導體（NXP）看準高安全敏感度的車載電源系統(tǒng)應用，近期亦宣布推出適用于ASIL-D等級可擴充電源管理系統(tǒng)的PMIC，能夠協(xié)助驅動其MCU產品系列在電源安全方面所需的效能，深化自家產品的系統(tǒng)整合能力。
日商瑞薩電子（Renesas）在此也不遑多讓，奠基于自家在工業(yè)與汽車的領域專長，2019年完成對美國通訊芯片廠IDT的并購案，延展其在無線通訊、感測與電源管理元件的開發(fā)資源，增強其在ADAS與電動車發(fā)展的市場地位。
值得注意的是，雖不比消費性或車載應用廣泛，電源管理技術在企業(yè)級系統(tǒng)應用亦展現高度鑒別度。聯(lián)發(fā)科旗下的電源元件品牌立锜科技日前便宣布收購英特爾（Intel）旗下Enpirion PowerSoC電源元件產品線，藉由此次收購，臺廠將能在企業(yè)級電源管理方案中，快速導入高頻高效的功率技術，為聯(lián)發(fā)科ASIC產品配備進軍人工智能加速器市場的動能來源。
另一方面，尋找新興材料以擴大支援高頻、高壓、大電流與嚴峻工作環(huán)境的電源技術，也成為了決定電源元件市場脈動的一大看點。
電源雙「料」冠軍：高頻GaN與高壓SiC
矽基元件創(chuàng)立了量產半導體的開端，然而，電子元件越常必須在嚴苛的物理環(huán)境下維持復雜、高整合且穩(wěn)定地運作，采用能夠耐高頻的氮化鎵（GaN）與耐高壓的碳化矽（SiC）等功率元件，從而如火如荼地展開研發(fā)激戰(zhàn)。
橫跨新興材料的功率元件開發(fā)芯片大廠英飛凌（Infineon）便以CoolSiC與CoolGaN兩大產品系列，強勢進占這塊市場。前者鎖定高性能與穩(wěn)健型元件的電源系統(tǒng)，并善用SiC能夠承受200℃的物理特性，進一步強化其在熱能方面的表現；后者則聚焦小尺寸的功率元件設計，GaN以高開關頻率展現元件在高頻運作下的高效能，在系統(tǒng)整合上亦可圈可點。
SiC相較于矽基元件，運作頻率更高且開關切換速度快，能以低閘極電流運作。羅姆半導體（ROHM）的電源產品在這方面具備深厚的技術基礎，包括其車載等級的高降壓比電源控制技術Nano Pulse Control、確保低耗損電流與性能穩(wěn)定的Quick Buck Booster技術等。日前ROHM便宣布德國車用電子制造大廠大陸集團將其評選為「2019年度最佳供應商」，顯見其SiC與電源產品的優(yōu)異性能與專業(yè)技術，分外備受肯定。
此外，采用SiC的功率元件，還能透過優(yōu)化元件架構來提升系統(tǒng)效能。東芝半導體（Toshiba）最新推出的第二代元件架構，就大幅改善了SiC MOSFET在導通電阻增加時元件系統(tǒng)的可靠性，比前一代架構提升了十倍以上。該架構已用于其最新1200V SiC MOSFET，實現低功耗與小尺寸的高效電源系統(tǒng)。
GaN功率元件則展現了耐高壓、微型化、高度系統(tǒng)整合的設計優(yōu)勢。精于高壓功率轉換半導體技術的元件供應大廠Power Integrations（PI）對此著墨甚深，其2014年推出之InnoSwitch系列產品便是應用其GaN快速切換開關的技術，開發(fā)至第三代產品，可支援最高100W的功率，甚至在無需散熱器的情況下，提供高達95%的轉換效率。PI日前更宣布該系列芯片的全球銷售量突破10億的里程碑。
結語
族繁不及備載，可說是概括電源元件一脈的最佳寫照。不同類型的轉換器除了可能以線性、交換式或返馳式等運作原理為基礎，用以構建的半導體元件亦可采用金氧半場效電晶體（MOSFET）、絕緣柵雙極電晶體（IGBT） 、蕭特基二極體（Schottky diode）或雙極性接面電晶體（BJT）等來控制電路開關，產品應用更是不可勝數。
可以想見，全球電源元件市場的硬件供應品牌未來將以并購、企業(yè)合作、擴充國際據點或深化供應鏈的縱向開發(fā)等策略性決策，持續(xù)擴充其產品組合并積累研發(fā)技術的實力，滿足5G與智能物聯(lián)時代中，智能型手機、電動汽車、再生能源與智能工廠等對高速高頻。