成本/市場慣性作梗　數位電源普及路多舛

成本/市場慣性作梗　數位電源普及路多舛

每當美國感恩節前的黑色星期五來臨前，總免不了關注液晶電視產業市場銷售的情況與價格，一方面因為液晶電視已經是此採購旺季中最重要、最受歡迎的銷售商品之一，另一方面則是由於液晶電視早已是薄膜電晶體液晶顯示器(TFT LCD)面板產業裡最重要的應用，2009年第三季就占有大尺寸面板總體產值的58%，同時預期2010年第二季可望取代電腦顯示器成為出貨量比重最高的應用。值得注意的是，2009年黑色星期五裡32吋的液晶電視價格再探新低，二線與白牌約可達到250美元的價位。

至於代工生產方面，鴻海取得索尼(Sony)墨西廠90%的所有權、東芝(Toshiba)不斷提高委外代工比重；液晶電視產業似乎走向液晶顯示器的發展道路，成為成熟、價格導向、產品規格差異化低的商品。表面上，這樣的觀察或許正確，但若深入了解顯示器與電視的生態與規格發展，就會發現這樣的推論可能失之於浮面，以下就市場、規格與應用、代工生產等層面探討，並藉此討論液晶電視產業的未來展望。

液晶電視亟待新應用/規格刺激消費

整體而言，2007年液晶電視的出貨量約七千九百萬台，2008年成長為一億五百萬台，預估2009年預估將達一億三千萬台，2010年則為一億五千五百萬台(表1)。出貨量雖持續成長，但從成長率來看，卻已開始緩步下滑。相對於2006年出貨量的四千六百萬台，2007年的年成長率達72.2%，而2008年則已下滑達到32.5%，2009年則下滑至23.9%，2010年為19.1%。

資料來源：DisplaySearch(2009)

出貨量的年成長率往往也是觀察市場成熟度的指標，從實際出貨結果來看，液晶電視仍有可觀的兩位數字年成長率，這代表液晶電視已步入主流大眾市場、並且是得以放量的產品。值得注意的是，任何一項產品在即將面臨成長的天花板效應(Ceiling Effect)時，通常也意味著低毛利率、低關注度，因此，若是無新的應用或是規格刺激市場消費，將走向衰退，屆時市場會僅剩少數幾家得已存活的供應商，出貨量可能也由於消費者不熱衷於新購或是換機而逐漸衰減。

中國大陸市場帶動液晶電視成長

中國大陸市場帶動液晶電視成長

從區域市場來看，2009年第三季中國大陸的液晶電視出貨比重已高達21%，僅次於北美地區的25.4%，依此成長動力，預計在2011年中國大陸將可超越北美，成為全世界液晶電視出貨比重最高的區域。由此牽動的產業生態不僅使中國大陸當地電視品牌因地利之便崛起，還包含上游面板廠加速對中國大陸當地的布局，目前有意或興建中的8.5代線就已經超過六座之多。

然而，相對於中國大陸正起飛的液晶電視市場，占有出貨量比重最高的北美、西歐地區，其出貨成長上卻已顯得力不從心，預估2009年北美地區約有12.9%的年成長率，但2010年僅剩5.4%；西歐地區2010年有5%的年成長率，與日本的4.5%相仿。也就是說，2009年總計占有57%出貨量比重的北美、西歐和日本地區，到了2010年全都僅剩5%左右的年成長率。相對來看，中國大陸2009年約有87%的年成長率，到了2010年也還能維持32%的幅度；而亞太、拉丁美洲、中東與非洲於2010年則可望維持在50%以上的年成長幅度。

對已開發國家或區域來說，液晶電視市場已經步向成熟與高滲透率，液晶電視在北美、西歐與日本均已達90%左右的滲透率，加上成長幅度的明顯趨緩，品牌廠商在這些地區的產品策略必須進一步思考，如何說服消費者願意再次購買、新購買或是新增第二台液晶電視；因此，價格、規格、定位等因素必須妥善規畫與切出市場區隔。而對如中國大陸般的新興市場，2008年的液晶電視滲透率不過才31.8%(映像管電視為63.8%），2009年則預估約63.9%(映像管電視為32.4%)；顯然提供足夠的價格驅動力和購買誘因以說服消費者購買液晶電視取代映像管電視，才是最主要的策略重點。
多年來，類比與數位的定義已開始模糊。人們運用數位技術的特性來儲存數據、進行運算和有效地通訊。直到現在，電源轉換中電壓和電流實際上都是藉著類比而非數位技術來處理，只有在控制的部分，工程人員已有類比或數位兩種不同的選擇。

但值得注意的是，即便是號稱採取數位控制的系統架構，其電路也沒有完全數位化，因為工程師還是必須在反饋迴路中設置類比/數位換轉器。既然導入數位技術的好處不是如此顯而易見，為何讓業界始終存在電源電路控制數位化的呼聲？以下將廣泛地討論有關數位技術應用於電源轉換(Power Conversion)及管理方面的技術問題及市場趨勢的變化，並簡述不同市場領域的需求，另也會探討以數位控制所帶來的新應用設計挑戰。

結合記憶/通訊能力　數位控制坐擁利基

數位技術早已存在我們日常生活的周遭圍範，可是到2005年左右，這種技術才開始被電源轉換及管理所應用。數位技術最突出的功能在於其記憶能力，這是傳統類比控制方案難以望其項背的。

數位控制元件中所儲存的資訊，依據存取條件限制可分為三個不同級別，分別是控制器內部校準數據及查表的暫存器的原廠級存取資訊、用來選擇管理架構和控制模式(電壓、電流和混合式)，並提供不同保護或還原設置功能的控制器配置；最後則是監督和控制資訊。

其中校準數據和暫存器內部所儲存的資訊是受到嚴密存取限制的，通常晶片供應商不會開放這些資訊的存取權限給系統設計人員，只有晶片原廠可以修改，故被稱為原廠級資訊；控制器配置資訊則是受到密碼保護的，只有擁有密碼的系統設計人員有權更改這些資訊；而系統監管資訊則是以電源管理匯流排(PMBus)協議自由存取。這種數據儲存能力讓設計師能夠將設計最佳化，還可以在不同設計專案中反覆使用。

數位技術的記憶能力也衍生了通訊功能的優點。設計人員可利用I²C介面來實現通訊功能，為控制器帶來校準和編程的能力，且可以即時發揮控制、監督、狀態監控、遠程識別和診斷。此外，數位技術也能夠在傳輸過程中作不同的強度調整，包括解析度、校準(類比/數位轉換、外部感測器)、輸出電壓/電流設定及保護限制(電壓、電流、溫度)。

至於時間調節功能就涵蓋頻率轉換、延遲和相位調整。控制/管理功能包括了操作模式轉換，例如啟動/關機、脈衝、脈衝跳越、脈衝頻率調變(PFM)、脈衝寬度調變(PWM)，及自我檢測和輸出電壓轉換(容差)。時間調整和控制的靈活性均有助減少電磁干擾，這種特性在類比應用環境中是完全無法想像的。

因此，讀者應該可以理解，以數位技術來實現電源轉換控制的優點雖多，但並不是每個應用市場都需要如此完備的功能。實際進行產品設計時，工程人員應視不同應用市場的需求作微調，選用最適當的邏輯元件。

邏輯元件選擇五花八門

我們為個別應用所選擇的邏輯，取決於其靈活性、速度/頻寬及成本限制。目前市場上適合應用於數位電源控制的邏輯元件大致上可分為整合數脈衝寬度調變功能的硬體邏輯比例-積分-微分(PID)控制器、混合式(脈衝寬度調變加上數位介面，這種方案一般又稱為數位封套)、微控制器(MCU)、數位訊號處理器(DSP)及兼具DSP與MCU功能的數位控制處理器(DCP)。

大部分的數位晶片都包含了電源轉換控制及電源管理功能。其中電源轉換控制(反饋迴路)可以不斷為類比作即時操作，亦能夠接近於即時(需要一些響應時間)的模式為數位作業。其他功能會由事件來觸發、編排程序和休眠(記憶)。使用硬體邏輯架構的PID控制器解決方案可用於大量的低功率應用(<200W)，它們一般在較高的頻率(200k～2MHz)下作業，而速度接近類比控制，成本相對比較低。

這種方式能夠實現最堅固的結構，客戶亦無須自力進行大量編程作業，甚至可以完全省去程式碼撰寫，直接用接腳編程，或利用圖像化使用者介面來進行編程(須仰賴I²C介面)，因此可讓產品設計流程加快，讓產品快速上市。若這類元件進一步內建非揮發性記憶體(NVM)，還可為應用設計帶來更高的靈活性，但工程人員要進行額外的核實和確認工作。

若設計人員使用類比控制器，搭配一個能夠支援I2C通訊，並有時用來支援VID控制的數位介面，就可以形成混合式邏輯。它會與硬體邏輯結構共用相同的空間，但靈活性會較低，成本也會高一些。上述兩種邏輯主要均用於直流對直流(DC-DC)的範疇。

相較於不太須要撰寫程式碼的硬體邏輯方案，微控制器、數位訊號處理器和數位控制器皆須進行編碼(組合語言或C)來實現更高的靈活性和速度，但成本會更高，產品的設計時間也會拉長。而且靈活性的增加使電路結構也會變得更加複雜，所以核實和確認程序的成本也會更高。

製程技術精進　數位控制成本日漸實惠

通常設計人員評估上述邏輯類型時，都會以實作成本作為評估的依據。而隨著製程技術進入次微米(0.15/0.18微米)時代，元件的價格已變得更經濟實惠，這也讓數位技術的成本優勢日益顯著，因而加快了類比到數位技術的轉型。到了這個階段，「以更低成本提供更多功能」將為成為新的價值觀，取代「以相同成本提供更多功能」。以0.25微米製程為例，類比與數位設計的晶片成本早已相同，但值得注意的是，採用0.18微米以下製程所設計的晶片雖可享受製造成本下降的好處，但晶片設計的研發成本增加了一倍以上(圖1)。

(資料來源：ISSCC 2007) 圖1　不同製程世代的研發成本比較(以0.25微米為基準)

雖然如此，以台積電的客戶投片狀況來看，0.15/0.18微米製程的客戶投片生產量仍遠遠高於0.25微米(圖2)，這顯示晶片設計業者從0.25微米轉向0.15/0.18微米所帶來的製造成本下降效應仍大於設計成本提升，因此晶片供應商採用新製程仍是有利可圖的。而隨著0.15/0.18微米製程的投片量持續放大，其所創造出來的規模經濟效應將進一步加速製程技術的世代交替。

(資料來源：ISSCC 2007) 圖2　台積電引入每一代製程技術後實際和預計的晶圓投片量變化

由於數位控制中不可避免地必須運用某些數位邏輯元件，因此在繼續往下探討之前，讀者應先對電源電路中的分割(Partition)概念有明確的掌握。在電源電路設計中，分割是指一個或多個晶片中的電源轉換部分的功能群組。要將特定某幾項功能畫歸在同一個群組中，須基於控制迴路的分層結構(保護、電流、電壓、溫度)、功率層級及在效率和空間之間作出權衡。在討論直流-直流技術的時候，讀者應常會接觸到一些像「分立解決方案」、「整合式控制器及驅動器」、「整合式功率級」等詞彙，就是分割概念的實際應用。

獨立解決方案是指擁有一至六相的獨立控制器晶片，其中的驅動器及場效電晶體(FET)都是分開的(圖3)。採用這種方案可讓製造商在備料時享受到多重供貨來源的優勢，同時也具備最大的靈活性及性能表現，成本更低。不過，採用大量獨立方案往往也會造成電路板面積難以縮小，無法滿足終端產品輕薄短小的設計趨勢。為了解決這項難題，有些晶片供應商和模組製造商攜手合作，提供較為節省空間的獨立解決方案模組。但這種做法會限制終端製造商的選擇空間，除非不同的微型模組彼此間具備腳對腳(Pin-to-pin)相容性。

圖3　分立解決方案

整合式控制器及驅動器是指在同一個IC內設有一至三相輸出及相關的驅動器(圖4)。這類方案必須配合外部場效電晶體，又沒有替代供貨來源，驅動能力也有限，但優點是比分立解決方案占用空間更小。此外，由於IC的散熱功能有限，所以只能設置三個驅動器，而且源極/吸收(Source/Sink)電流也只能保持在最大水平。 整合式功率級是指同一個IC中包含單一相位的驅動器及場效電晶體。這類方案比分立解決方案占用更小的空間，因此適用於工作頻率500kHz以上，但電路板空間有限的應用。

圖4　整合式控制器及驅動器

由於整合式功率級方案的驅動器比較靠近場效電晶體，所以能夠在高頻下以高效率作業。它只要配合一個合適的控制器，就可以用於一至多個相位，但一般都沒有替代供貨來源。這類方案通常都根據特定的輸出電流範圍和工作週期而做出最佳化，所以整個解決方案的成本往往較分立解決方案為高。

整合式功率級散熱問題不容輕忽

整合式功率級散熱問題不容輕忽

這種元件通常都屬於全整合式的多晶片模組(MCM)，亦即把控制器、驅動器及場效電晶體全部封裝於單一晶片中。雖然其占用的電路板空間最少，但因為有封裝的熱能限制，所以只適用於比較低的功率，而且一般都沒有替代供貨來源。封裝的選擇取決於晶片面積、接腳數量和散熱需要。

通常，工程師都會忽略一個情況，亦即將控制功能和功率級整合在一起，通常都會造成未能充分善用功率級的現象，結果只能夠在控制器的最大可用溫度下作業，或由於須強迫控制器在最大的功率級溫度下作業，因而對零件的可靠性打了折扣。

採用低厚度的上下熱阻封裝技術正好可以有效解決上述問題，但是這類零件的價格比較高。當場效電晶體在更低的溫度下作業，導通阻抗便會更低，只需要一個更小巧的場效電晶體就能夠完成工作，或者能夠改善效率、節省能源，回報將遠遠超出採用更佳封裝和加入額外散熱設計付出的額外成本，同時可靠性也將大大提高。因此，採用這類封裝技術依然是相當值得的選擇。

由於包括通訊及接腳功能分配等額外功能，所以包含了數位控制器的系統解決方案不用那麼多零件和控制器。不論在功能組合或封裝選擇方面，數位結構都比類比結構優異。

打開消費性應用為進一步普及關鍵

以應用種類來分，消費性應用占了整體電力電子元件一半以上的市場，資訊設備類則降到45%以下，剩下的5%屬於政府用戶。因此消費市場的商機無疑仍是最為龐大的。

目前數位控制架構已開始從高階市場蠶食純類比架構的市場，舉例來說，其中已有不少高階資訊設備系統開始採用數位技術，但生產量和利潤率偏低使市場難以維持。事實上，消費市場中能夠有比較高的產量，仍然是由類比產品主導，不論是在電源轉換或管理領域也是一樣。

要推動數位技術，必須在高階和低階市場雙管齊下：高階市場著重完善功能及超卓性能，但以低成本為目標；低階市場以類比技術主導的裸機為重點，但著重更低的成本以吸納市場占有率。

鐵一般的事實是，功率級仍是電源轉換元件市場中的最主流的元件類型，而非控制器。因此市場預期，假如能夠把兩者合一，就可以相得益彰，同時還可提高產品的邊際利潤及營業額。市場還預期大量的類比零件會被更小量可配置的數位元件所取代。

市場上有多種不同等級的電源轉換器，按每瓦成本由低至高依次為：直流對直流非隔離3～15瓦電源轉換器、直流對直流非隔離15～250瓦的負載點(POL)、降壓電壓整流器(VRD)與電壓整流模組(VRM)。成本最高的則是輸出功率可高至2,000瓦的隔離式交流對直流及隔離式直流對直流機板貼裝式功率模組，包含全調整、半調整和直流-直流變壓器。其中低功率的電源方案典型應用為行動電話等可攜式設備，而POL等中等功率方案則主要用於嵌入式設備及模組。

目前低功率手攜式設備仍採用類比電源控制及數位電源管理。數位電源控制及管理技術最早是用於高階電腦及圖像處理領域，緊接其後的是網絡通訊(數據通訊及電訊)及儲存系統。負載點、嵌入式設備或模塊及隔離式直流-直流模組是網路通訊設備首選的解決方案，而儲存系統則同時採用VRD、VRM及負載點方案。
這些應用皆採用數位或混合式硬體邏輯結構。

不同類型的交流-直流系統採用微控制器、數位訊號處理器或數位訊號控制器來進行電源系統控制及電源管理。值得注意的是，近來隔離式直交流反相器和隔離升壓直流對直流轉換器也開始出現採用數位控制的風潮。

不論是哪種應用，作業模式的改善都有助於提升低負載環境的運作效率，包括相位的減少、脈衝跳躍、更低Gate極驅動電壓和更低的開關頻率。至於在全負載的環境下，運作效率的提升則源於先進場效電晶體所具備的低導通阻抗特性和革命性的拓撲技術。

用戶心態為最大普及障礙

除了元件的特性和價格外，數位控制電源還有一些來自外部的普及障礙，其中最大的阻力來自於工程師和元件兩方面的市場慣性。工程人員有時對新技術是抱持著排斥或懷疑態度的。而電源應用市場極為破碎的特性，更使行銷人員不僅難以為產品定義，也難以要求所有的人都採用新技術。

市場對新技術的抗拒，例如因為價格高昂和各種專用的通訊匯流排，又或者因為害怕智財權訴訟而延遲採用，都是數位控制架構普及之路上不容輕忽的挑戰。同時，不好用的圖像用戶介面和不完整的作業指引文件，也會增加客戶及代理商的作業培訓時間。

還有，現在的類比技術的競爭相當激烈，各家廠商紛紛降價和推出新產品來爭奪市場，甚至製造種種的恐懼、不確定、懷疑現象以吸引用戶。但同時，這個市場對新加入的廠商，以及那些低銷量、低利潤的廠商都有極大的障礙。

內部挑戰的數量和嚴重性絕不下於外來挑戰。學習時間固然長，再加上設計上的限制、檢驗和確認程序的資源需求，都延緩了產品上市的時間，甚至使產品喪失市場占有率。理論上，可配置數位控制器的設計有無窮無盡的檢驗程序，而檢驗和確認方法及工具的短缺則使問題進一步惡化。此外，類比與數位工程資源更須要互相協調和配合。最後，企業文化也是不容忽略的重大挑戰，因為企業文化往往影響了採用新技術的態度和想法。

(本文作者任職於國際整流器公司)