電源模塊與電源用元器件的最新技術動態

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電源模塊與電源用元器件的最新技術動態

ROHM半導體(上海)有限公司

1電源模塊相關發展概況

一直以來，電源模塊(AC-DC適配器等)因其對電氣產品的性能和功能產生的直接影響較小而少有關注，但近些年來，對這類電源的關注達到了前所未有的高度。究其主要原因，可以說是“環境”。近年來，世界各地頻繁發生環境問題，各國展開了諸多致力于減輕環境負擔的行動，當然對電源的環保策略也早已提上日程。其關鍵詞有以下兩個。

(1) 高效化

隨著電氣產品的生產量逐年增加，用電量也與其成正比,呈逐年上升趨勢。如今，電氣產品每年的生產量約50億臺左右，其中絕大多數產品均搭載有電源模塊和電源電路。假設這些電源的損耗能夠改善1 W，簡單地計算一下每年可節約50億W，節能效果相當于5座核電廠。在這種背景下，各國的標準團體等也紛紛提高能效標準，要求開發符合這些標準的電源模塊和電源電路。

美國能源部于2014年2月3日頒布了對AC適配器等外部電源更嚴格的能效要求。2016年，不符合新標準的對象外部電源或許將無法在美國國內銷售。因此，以AC-DC適配器廠家等為主的企業正在加速推出滿足該標準的產品。

(2) 減少工業廢棄物

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

本文將圍繞這些關鍵詞針對電源的高效化以及技術和應用等進行介紹。

2同步整流與低功耗化功能

作為實現電源模塊(AC-DC適配器等)高效化的技術，包括開關元器件(MOSFET)等產品技術的發展和電路技術的改善，其中同步整流方式在改善電路技術方面備受矚目。

在以往的AC-DC轉換器中，基于電路簡單、相對廉價的原因，整流元件一般使用二極管，但這種二極管的正向電壓(Vf)導致的導通損耗一直是高效化的障礙。另外，為抑制二極管的發熱，還需要散熱器等散熱措施，這就需要相應的空間，在安裝方面也帶來一些問題。作為降低這種損耗的對策，如今已經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，通過更低的導通電阻(低Ron)來降低導通損耗(見圖1)。

圖1　同步整流方式

同步整流方式本身絕大多數采用低壓(尤其是12 V以下)DC-DC轉換器，因此并非全新技術的產品。但是，AC-DC轉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轉換器均采用PWM反激式控制(ON/OFF方式)，該方式根據輸入/輸出條件和變壓器規格進行連續模式工作。但是，在同步整流方式下進行連續模式工作時，可能會導致無法正常控制，因一次側的開關元件和二次側的整流元件同時導通，會貫通電流造成元件損壞。因此，大多數情況下，同步整流方式僅限增加了防止同時導通的保護電路時，以及不連續模式工作時 (準諧振方式和不連續模式工作)使用。

但是，此次開發的ROHM同步整流IC，成功攻克了該課題，實現并采用了在連續模式工作時也無需特別保護電路的穩定的同步整流工作。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(本公司比較數據)。

另外，ROHM同步整流IC采用同步整流控制部+分流穩壓器部的結構，一個IC具備兩種功能。分流穩壓器部實現低電流工作(40 μA)，同步整流控制部通過無負載時等自動進入休眠模式，降低工作電流。由此，與以往使用通用分流IC時相比，無負載時的功耗降低了25 mW以上(本公司比較數據)。

3減輕環境負擔的USB Power Delivery技術

作為減輕環境負擔的技術之一而被寄予眾望的是USB Power Delivery(USB PD)。

USB PD通過USB連接可實現高達100 W的供電。USB PD根據不同設備的電源電壓要求，來調整AC/DC適配器等電源的輸出電壓。以往每臺設備都需要電源，而利用USB PD則可共享1個電源。另外，以往在設備之間主要是數據通信，而通過USB PD可同時實現雙向相互供電(見圖2)。

圖2　USB Power Delivery

在USB PD的普及過程中，USB連接器的發展也已成為重要因素。在以往的平板電腦和智能手機中普及的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， 從而可實現最高達100 W的供電。由此，從以往的電池充電等小功率用途擴展到可用作設備本體的主電源。另外，Type-C連接器不僅具備最大功率優勢，還具有可不分正反插入等優勢，預計將會成為未來USB連接器的主流產品。

ROHM不僅擁有滿足以往的USB Type-A/B標準的USB PD控制IC(BD92S系列)產品，還新開發出滿足最新的USB Type-C標準Rev1.1和USB PD標準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標準的設備之間，可實現高達100 W(20 V/5 A)的供受電。由此，電腦和電視等需要 大功率的設備，也可通過USB端子供電來帶動(見圖3)。

圖3　USB Type -C Power Delivery系統應用示例

同時，在USB端子的傳統用途——智能手機和平板電腦等中，可實現比以往高約4倍以上的快速充電。另外，還支持可通過USB通信信號線來傳輸視頻信號的Alternate-Mode控制，無需視頻專用端口，因此，可在供電的同時傳輸視頻信號等，非常有助于構筑更加便利的環境。

4減輕環境負擔的無線供電技術

作為降低環境負擔的技術，無線供電也備受關注。隨著平板電腦和智能手機等移動設備的日益普及，“無線”數據傳輸已經司空見慣，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設備必須有配套充電器的問題而廣受關注，而且，從減少充電器的角度看還具有環保的優點。

如今，隨著以WPC和PMA為首的旨在普及無線供電的標準團體成立并制定國際標準，無線供電技術以歐美為中心已經開始逐步在智能手機和基礎設施中得以應用。

ROHM面向平板電腦和智能手機等移動設備，一直在推進無線供電控制IC(BD57015GWL，接收端/終端；BD57020MWV，發射端/充電端)的開發。

這兩款產品均為符合無線供電(無線充電)國際標準WPC(Wireless Power Consortium)最新Qi標準中等功率規格的芯片組，在平板電腦等10 W級應用中實現了無線供電。另外，接收端/終端的BD57015GWL還支持在北美市場推行的無線供電國際標準PMA(Power Matters Alliance)，實現了可自動切換WPC(10 W)和PMA(5 W)的雙模充電。

(收稿日期：2016-01-06)