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最新技術(shù)動(dòng)態(tài):高效化、低功耗化的電源模塊

發(fā)布時(shí)間:2015-12-17 責(zé)任編輯:susan

【導(dǎo)讀】許多工程師會(huì)由于電源模塊對(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,他們對(duì)這類電源的關(guān)注度卻達(dá)到了前所未有的高度。“環(huán)境”可以說是最主要的原因。
 
1.電源模塊相關(guān)發(fā)展概況
  
近年來,世界各地頻繁發(fā)生環(huán)境問題,各國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)。
  
關(guān)鍵詞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1W(瓦),簡單地計(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。
  
在此介紹一下對(duì)電源模塊高效化要求的代表性標(biāo)準(zhǔn)---美國能源部(DOE)制定的能效標(biāo)準(zhǔn)。美國能源部于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。從2016年2月10日以后(預(yù)計(jì)),不符合新標(biāo)準(zhǔn) (表1、表2)的對(duì)象外部電源將無法在美國國內(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。
 
表1.DOE CEC 6級(jí)外部電源能效標(biāo)準(zhǔn)AC/DC電源(輸出電壓≧ 6V)
 
表2.DOE CEC 6級(jí)外部電源能效標(biāo)準(zhǔn)AC/DC電源(輸出電壓< 6V)
 
關(guān)鍵詞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:Reuse,重復(fù)使用:Reduce,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)取得不菲成果,越來越多的產(chǎn)品開始搭載電源模塊和電源電路。在不久的將來,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?/div>
  
在以往的AC/DC轉(zhuǎn)換器中,基于電路簡單、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(圖1)。工作與一次側(cè)的開關(guān)工作同步使整流元件的MOSFET進(jìn)行ON/OFF。
 
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12V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??刂疲蛞淮蝹?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))
(圖2)。
 
圖2.二極管整流/同步整流效率比較
[page]
 
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(40uA),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25mW以上(本公司比較數(shù)據(jù))
 
3.減輕環(huán)境負(fù)擔(dān)的技術(shù):USB Power Delivery
  
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)100W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(圖3)。
  
圖3.何謂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10W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5V。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5V限制,可最高提高到20V, 從而可實(shí)現(xiàn)最高達(dá)100W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10W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)100W(20V / 5A)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)(圖4)。
 
圖4.USB PD Type-C 應(yīng)用例
  
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)的技術(shù):無線供電
  
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麻煩而廣受關(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:接受端/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10W級(jí)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)了無線供電。另外,接收端/終端的BD57015GWL還支持在北美市場推行的無線供電國際標(biāo)準(zhǔn)PMA(Power Matters Alliance),實(shí)現(xiàn)了可自動(dòng)切換WPC(10W)和PMA(5W)的 雙模充電(圖5)。
  

圖5.無線供電
  
預(yù)計(jì)未來電源模塊和電源電路將面臨更加苛刻的能效標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境問題。要想滿足這些需求,要求我們不僅僅停留在電源模塊和電源電路上,而是采取著眼于電氣產(chǎn)品整體的行動(dòng)。ROHM將致力于綜合應(yīng)用,持續(xù)推進(jìn)滿足這些市場需求的產(chǎn)品開發(fā)。
 
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