电源模块与电源用元器件的最新技术动态

2015年12月17日

电源模块相关发展概况

一直以来,电源模块(AC/DC适配器等)因其对电气产品的性能和功能产生的直接影响较小而少有关注,但近些年来,对这类电源的关注达到了前所未有的高度。究其主要原因,可以说是"环境"。近年来,世界各地频繁发生环境问题,各国展开了诸多致力于减轻环境负担的行动,当然对电源的环保策略也早已提上日程。其关键词有以下两个。

关键词①:高效化
随着电气产品的生产量逐年增加,用电量也与其成正比呈逐年上升趋势。如今,电气产品每年的生产量约50亿台左右,其中绝大多数产品均搭载有电源模块和电源电路。假设这些电源的损耗能够改善1W(瓦),简单地计算一下每年可节约50亿W,节能效果相当于5座核电厂。在这种背景下,各国的标准团体等也纷纷提高能效标准,要求开发符合这些标准的电源模块和电源电路。
在此介绍一下对电源模块高效化要求的代表性标准---美国能源部(DOE)制定的能效标准。美国能源部于2014年2月3日颁布了对AC适配器等外部电源更严格的能效要求。从2016年2月10日以后(预计),不符合新标准 (表1、表2)的对象外部电源将无法在美国国内销售。因此,以AC/DC适配器厂家等为主的企业正在加速推出满足该标准的产品。

额定输出功率
Pout(W)
工作时的平均效率 无负荷时的功耗
(W)
Pout ≧ 1 ≧ 0.5 × Pout + 0.16 ≦ 0.100
1< Pout ≦ 49 ≧ 0.071 × Ln(Pout) - 0.0014 × Pout + 0.67 ≦ 0.100
49 < Pout ≦ 250 ≧ 0.880 ≦ 0.210
250 < Pout ≧ 0.875 ≦ 0.500

表1:DOE CEC 6级 外部电源能效标准AC/DC电源(输出电压 ≧ 6V)

额定输出功率
Pout(W)
工作时的平均效率 无负荷时的功耗
(W)
Pout ≧ 1 ≧ 0.517 × Pout + 0.087 ≦ 0.100
1< Pout ≦ 49 ≧ 0.0834 × Ln(Pout) - 0.0014 × Pout + 0.609 ≦ 0.100
49 < Pout ≦ 250 ≧ 0.870 ≦ 0.210
250 < Pout ≧ 0.875 ≦ 0.500

表2:DOE CEC6级 外部电源能效标准AC/DC电源(输出电压 < 6V)

关键词②:减少工业废弃物
随着电气产品生产数量的增加,其废弃物也在增加,为了减少这些工业废弃物,要求做到3R(减少使用:Reuse,重复使用:Reduce,循环使用:Recycle)。而一直以来,电源产品仅部分组成元器件和材料可以循环使用,大部分均被废弃。如今,减轻这类环境负担的技术开发取得不菲成果,越来越多的产品开始搭载电源模块和电源电路。在不久的将来,这些技术有望为工业废弃物的削减作出更大贡献。

本文将围绕这些关键词针对电源的高效化以及技术和应用等进行介绍。

同步整流与低功耗化功能

图1:同步整流方式
图1:同步整流方式

作为实现电源模块(AC/DC适配器等)高效化的技术,包括开关元器件(MOSFET)等产品技术的发展和电路技术的改善,其中同步整流方式在改善电路技术方面备受瞩目。
在以往的AC/DC转换器中,基于电路简单、相对廉价的原因,整流元件一般使用二极管,但这种二极管的正向电压(Vf)导致的导通损耗一直是高效化的障碍。
另外,为抑制二极管的发热,还需要散热器等散热措施,这就需要相应的空间,在安装方面也带来一些问题。作为降低这种损耗的对策,如今已经逐步开始采用同步整流方式。
同步整流方式的整流元件使用MOSFET,通过更低的导通电阻(低Ron)来降低导通损耗(图1)。
工作与一次侧的开关工作同步使整流元件的MOSFET进行ON/OFF。

同步整流方式本身绝大多数采用低压(尤其是12V以下)DC/DC转换器,因此并非全新技术的产品。但是,AC/DC转换器存在控制方法等课题,这一直阻碍着同步整流方式的普及。如今,很多AC/DC转换器均采用PWM反激式 控制(ON/OFF方式),该方式根据输入输出条件和变压器规格进行连续模式工作。但是,在同步整流方式下进行 连续模式工作时,可能会导致无法正常控制,因一次侧的开关元件和二次侧的整流元件同时导通,会贯通电流造成 元件损坏。因此,大多数情况下,同步整流方式仅限增加了防止同时导通的保护电路时、以及不连续模式工作时 (准谐振方式和不连续模式工作)使用。
但是,此次开发的ROHM同步整流IC,成功攻克了该课题,实现并采用了在连续模式工作时也无需特别保护 电路的稳定的同步整流工作。因此,与以往的二极管整流相比,电源模块整体效率提高了3%以上(本公司比较数据) (图2)。

图2.二极管整流/同步整流效率比较
图2.二极管整流/同步整流效率比较

另外,ROHM同步整流IC采用同步整流控制部+分流稳压器部的结构,一个IC具备两种功能。分流稳压器部 实现低电流工作(40uA),同步整流控制部通过无负载时等自动进入休眠模式,降低工作电流。由此,与以往使用 通用分流IC时相比,无负载时的功耗降低了25mW以上(本公司比较数据)。

减轻环境负担的技术:USB Power Delivery

图3.何谓USB Power Delivery
图3.何谓USB Power Delivery

作为减轻环境负担的技术之一而被寄予众望的是USB Power Delivery(USB PD)。
USB PD通过USB连接可实现高达100W的供电。USB PD根据不同设备的电源电压要求,来调整AC/DC适配器等电源的输出电压。以往每台设备都需要电源,而利用USB PD则可共享1个电源。另外,以往在设备之间主要 是数据通信,而通过USB PD可同时实现双向相互供电(图3)。

 

图4.USB PD Type-C应用例
图4.USB PD Type-C应用例

在USB PD的普及过程中,USB连接器的发展也已成为重要因素。在以往的平板电脑和智能手机中普及的Type-A/B连接器最大可供电10W左右,这是以仅1节锂离子电池的充电为前提的,充电端的电源电压(USB VBUS)被限定为5V。新推出的Type-C连接器,与USB PD结合使用,使电源电压不再受5V限制,可最高提高到20V, 从而可实现最高达100W的供电。由此,从以往的电池充电等小功率用途扩展到可用作设备本体的主电源。另外,Type-C连接器不仅具备最大功率优势,还具有可不分正反插入等优势,预计将会成为未来USB连接器的主流产品。
ROHM不仅拥有满足以往的USB Type-A/B标准的USB PD控制IC(BD92S系列)产品,还新开发出满足最新的USB Type-C标准Rev1.1和USB PD标准Rev2.0的USB PD控制IC(BM92T系列)。BM92T系列在以往仅可 供电10W左右的满足Type-C标准的设备之间,可实现高达100W(20V / 5A)的供受电。由此,电脑和电视等需要 大功率的设备,也可通过USB端子供电来带动(图4)。
同时,在USB端子的传统用途---智能手机和平板电脑等中,可实现比以往高约4倍以上的快速充电。另外, 还支持可通过USB通信信号线传输视频信号的Alternate-Mode控制,无需视频专用端口,因此,可在供电的同时 传输视频信号等,非常有助于构筑更加便利的环境。

减轻环境负担的技术:无线供电

作为降低环境负担的技术,无线供电也备受关注。
随着平板电脑和智能手机等移动设备的日益普及,"无线"数据传输已经司空见惯,但电力传输还是以充电器(AC/DC适配器等的电源模块)有线传输为主流。无线供电因其可解决这类有线充电和每个设备必须有配套充电器的麻烦而广受关注,而且,从减少充电器的角度看还具有环保的优点。
如今,随着以WPC和PMA为首的旨在普及无线供电的标准团体成立并制定国际标准,无线供电技术以欧美 为中心已经开始逐步在智能手机和基础设施中得以应用。

ROHM面向平板电脑和智能手机等移动设备,一直在推进无线供电控制IC(BD57015GWL:接受端/终端,BD57020MWV:发射端/充电这两款产品均为符合无线供电(无线充电)国际标准WPC(Wireless Power Consortium)最新Qi标准中等功率规格的芯片组,在平板电脑等10W级应用中实现了无线供电。另外,接收端/终端的BD57015GWL还支持在北美市场推行的无线供电国际标准PMA(Power Matters Alliance),实现了可自动切换WPC(10W)和PMA(5W)的 双模充电(图5)。

图5.无线供电
图5.无线供电

预计未来电源模块和电源电路将面临更加苛刻的能效标准和环境问题。要想满足这些需求,要求我们不仅仅停留在电源模块和电源电路上,而是采取着眼于电气产品整体的行动。
ROHM将致力于综合应用,持续推进满足这些市场需求的产品开发。

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