?

電源模塊與電源用元器件的最新技術(shù)動(dòng)態(tài)

ROHM半導(dǎo)體(上海)有限公司

1電源模塊相關(guān)發(fā)展概況

一直以來，電源模塊(AC-DC適配器等)因其對(duì)電氣產(chǎn)品的性能和功能產(chǎn)生的直接影響較小而少有關(guān)注，但近些年來，對(duì)這類電源的關(guān)注達(dá)到了前所未有的高度。究其主要原因，可以說是“環(huán)境”。近年來，世界各地頻繁發(fā)生環(huán)境問題，各國(guó)展開了諸多致力于減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)的行動(dòng)，當(dāng)然對(duì)電源的環(huán)保策略也早已提上日程。其關(guān)鍵詞有以下兩個(gè)。

(1) 高效化

隨著電氣產(chǎn)品的生產(chǎn)量逐年增加，用電量也與其成正比,呈逐年上升趨勢(shì)。如今，電氣產(chǎn)品每年的生產(chǎn)量約50億臺(tái)左右，其中絕大多數(shù)產(chǎn)品均搭載有電源模塊和電源電路。假設(shè)這些電源的損耗能夠改善1 W，簡(jiǎn)單地計(jì)算一下每年可節(jié)約50億W，節(jié)能效果相當(dāng)于5座核電廠。在這種背景下，各國(guó)的標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)體等也紛紛提高能效標(biāo)準(zhǔn)，要求開發(fā)符合這些標(biāo)準(zhǔn)的電源模塊和電源電路。

美國(guó)能源部于2014年2月3日頒布了對(duì)AC適配器等外部電源更嚴(yán)格的能效要求。2016年，不符合新標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)象外部電源或許將無法在美國(guó)國(guó)內(nèi)銷售。因此，以AC-DC適配器廠家等為主的企業(yè)正在加速推出滿足該標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。

(2) 減少工業(yè)廢棄物

隨著電氣產(chǎn)品生產(chǎn)數(shù)量的增加，其廢棄物也在增加，為了減少這些工業(yè)廢棄物，要求做到3R(減少使用，Reduce；重復(fù)使用，Reuse；循環(huán)使用，Recycle)。而一直以來，電源產(chǎn)品僅部分組成元器件和材料可以循環(huán)使用，大部分均被廢棄。如今，減輕這類環(huán)境負(fù)擔(dān)的技術(shù)開發(fā)取得不錯(cuò)成果，越來越多的產(chǎn)品開始搭載電源模塊和電源電路。將來，這些技術(shù)有望為工業(yè)廢棄物的削減作出更大貢獻(xiàn)。

本文將圍繞這些關(guān)鍵詞針對(duì)電源的高效化以及技術(shù)和應(yīng)用等進(jìn)行介紹。

2同步整流與低功耗化功能

作為實(shí)現(xiàn)電源模塊(AC-DC適配器等)高效化的技術(shù)，包括開關(guān)元器件(MOSFET)等產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展和電路技術(shù)的改善，其中同步整流方式在改善電路技術(shù)方面?zhèn)涫懿毮俊?/p>

在以往的AC-DC轉(zhuǎn)換器中，基于電路簡(jiǎn)單、相對(duì)廉價(jià)的原因，整流元件一般使用二極管，但這種二極管的正向電壓(Vf)導(dǎo)致的導(dǎo)通損耗一直是高效化的障礙。另外，為抑制二極管的發(fā)熱，還需要散熱器等散熱措施，這就需要相應(yīng)的空間，在安裝方面也帶來一些問題。作為降低這種損耗的對(duì)策，如今已經(jīng)逐步開始采用同步整流方式。同步整流方式的整流元件使用MOSFET，通過更低的導(dǎo)通電阻(低Ron)來降低導(dǎo)通損耗(見圖1)。

圖1　同步整流方式

同步整流方式本身絕大多數(shù)采用低壓(尤其是12 V以下)DC-DC轉(zhuǎn)換器，因此并非全新技術(shù)的產(chǎn)品。但是，AC-DC轉(zhuǎn)換器存在控制方法等課題，這一直阻礙著同步整流方式的普及。如今，很多AC-DC轉(zhuǎn)換器均采用PWM反激式控制(ON/OFF方式)，該方式根據(jù)輸入/輸出條件和變壓器規(guī)格進(jìn)行連續(xù)模式工作。但是，在同步整流方式下進(jìn)行連續(xù)模式工作時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致無法正?？刂?，因一次側(cè)的開關(guān)元件和二次側(cè)的整流元件同時(shí)導(dǎo)通，會(huì)貫通電流造成元件損壞。因此，大多數(shù)情況下，同步整流方式僅限增加了防止同時(shí)導(dǎo)通的保護(hù)電路時(shí)，以及不連續(xù)模式工作時(shí) (準(zhǔn)諧振方式和不連續(xù)模式工作)使用。

但是，此次開發(fā)的ROHM同步整流IC，成功攻克了該課題，實(shí)現(xiàn)并采用了在連續(xù)模式工作時(shí)也無需特別保護(hù)電路的穩(wěn)定的同步整流工作。因此，與以往的二極管整流相比，電源模塊整體效率提高了3%以上(本公司比較數(shù)據(jù))。

另外，ROHM同步整流IC采用同步整流控制部+分流穩(wěn)壓器部的結(jié)構(gòu)，一個(gè)IC具備兩種功能。分流穩(wěn)壓器部實(shí)現(xiàn)低電流工作(40 μA)，同步整流控制部通過無負(fù)載時(shí)等自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，降低工作電流。由此，與以往使用通用分流IC時(shí)相比，無負(fù)載時(shí)的功耗降低了25 mW以上(本公司比較數(shù)據(jù))。

3減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)的USB Power Delivery技術(shù)

作為減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)的技術(shù)之一而被寄予眾望的是USB Power Delivery(USB PD)。

USB PD通過USB連接可實(shí)現(xiàn)高達(dá)100 W的供電。USB PD根據(jù)不同設(shè)備的電源電壓要求，來調(diào)整AC/DC適配器等電源的輸出電壓。以往每臺(tái)設(shè)備都需要電源，而利用USB PD則可共享1個(gè)電源。另外，以往在設(shè)備之間主要是數(shù)據(jù)通信，而通過USB PD可同時(shí)實(shí)現(xiàn)雙向相互供電(見圖2)。

圖2　USB Power Delivery

在USB PD的普及過程中，USB連接器的發(fā)展也已成為重要因素。在以往的平板電腦和智能手機(jī)中普及的Type-A/B連接器最大可供電10 W左右，這是以僅1節(jié)鋰離子電池的充電為前提的，充電端的電源電壓(USB VBUS)被限定為5 V。新推出的Type-C連接器，與USB PD結(jié)合使用，使電源電壓不再受5 V限制，可最高提高到20 V， 從而可實(shí)現(xiàn)最高達(dá)100 W的供電。由此，從以往的電池充電等小功率用途擴(kuò)展到可用作設(shè)備本體的主電源。另外，Type-C連接器不僅具備最大功率優(yōu)勢(shì)，還具有可不分正反插入等優(yōu)勢(shì)，預(yù)計(jì)將會(huì)成為未來USB連接器的主流產(chǎn)品。

ROHM不僅擁有滿足以往的USB Type-A/B標(biāo)準(zhǔn)的USB PD控制IC(BD92S系列)產(chǎn)品，還新開發(fā)出滿足最新的USB Type-C標(biāo)準(zhǔn)Rev1.1和USB PD標(biāo)準(zhǔn)Rev2.0的USB PD控制IC(BM92T系列)。BM92T系列在以往僅可 供電10 W左右的滿足Type-C標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備之間，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)100 W(20 V/5 A)的供受電。由此，電腦和電視等需要 大功率的設(shè)備，也可通過USB端子供電來帶動(dòng)(見圖3)。

圖3　USB Type -C Power Delivery系統(tǒng)應(yīng)用示例

同時(shí)，在USB端子的傳統(tǒng)用途——智能手機(jī)和平板電腦等中，可實(shí)現(xiàn)比以往高約4倍以上的快速充電。另外，還支持可通過USB通信信號(hào)線來傳輸視頻信號(hào)的Alternate-Mode控制，無需視頻專用端口，因此，可在供電的同時(shí)傳輸視頻信號(hào)等，非常有助于構(gòu)筑更加便利的環(huán)境。

4減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)的無線供電技術(shù)

作為降低環(huán)境負(fù)擔(dān)的技術(shù)，無線供電也備受關(guān)注。隨著平板電腦和智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備的日益普及，“無線”數(shù)據(jù)傳輸已經(jīng)司空見慣，但電力傳輸還是以充電器(AC/DC適配器等的電源模塊)有線傳輸為主流。無線供電因其可解決這類有線充電和每個(gè)設(shè)備必須有配套充電器的問題而廣受關(guān)注，而且，從減少充電器的角度看還具有環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)。

如今，隨著以WPC和PMA為首的旨在普及無線供電的標(biāo)準(zhǔn)團(tuán)體成立并制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，無線供電技術(shù)以歐美為中心已經(jīng)開始逐步在智能手機(jī)和基礎(chǔ)設(shè)施中得以應(yīng)用。

ROHM面向平板電腦和智能手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備，一直在推進(jìn)無線供電控制IC(BD57015GWL，接收端/終端；BD57020MWV，發(fā)射端/充電端)的開發(fā)。

這兩款產(chǎn)品均為符合無線供電(無線充電)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)WPC(Wireless Power Consortium)最新Qi標(biāo)準(zhǔn)中等功率規(guī)格的芯片組，在平板電腦等10 W級(jí)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了無線供電。另外，接收端/終端的BD57015GWL還支持在北美市場(chǎng)推行的無線供電國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)PMA(Power Matters Alliance)，實(shí)現(xiàn)了可自動(dòng)切換WPC(10 W)和PMA(5 W)的雙模充電。

(收稿日期：2016-01-06)