羅姆電源模塊與電源用元器件的最新技術(shù)動態(tài)

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，對這類電源的關(guān)注達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，各國展開了諸多致力于減輕環(huán)境負擔(dān)的行動，當然對電源的環(huán)保策略也早已提上日程。其關(guān)鍵詞有以下兩個。

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。如今，電氣產(chǎn)品每年的生產(chǎn)量約50億臺左右，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），簡單地計算一下每年可節(jié)約50億W，節(jié)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(fā)符合這些標準的電源模塊和電源電路。
在此介紹一下對電源模塊高效化要求的代表性標準---美國能源部（DOE）制定的能效標準。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。從2016年2月10日以后（預(yù)計），不符合新標準 （表1、表2）的對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準的產(chǎn)品。
表1．DOE CEC 6級　外部電源能效標準AC/DC電源（輸出電壓≧ 6V） 表2．DOE CEC6級　外部電源能效標準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。
本文將圍繞這些關(guān)鍵詞針對電源的高效化以及技術(shù)和應(yīng)用等進行介紹。2．同步整流與低功耗化功能
作為實現(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?br /> 在以往的AC/DC轉(zhuǎn)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(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)格進行連續(xù)模式工作。但是，在同步整流方式下進行 連續(xù)模式工作時，可能會導(dǎo)致無法正常控制，因一次側(cè)的開關(guān)元件和二次側(cè)的整流元件同時導(dǎo)通，會貫通電流造成 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導(dǎo)通的保護電路時、以及不連續(xù)模式工作時 （準諧振方式和不連續(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，實現(xiàn)并采用了在連續(xù)模式工作時也無需特別保護 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 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IC具備兩種功能。分流穩(wěn)壓器部 實現(xiàn)低電流工作（40uA），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25mW以上（本公司比較數(shù)據(jù)）3．減輕環(huán)境負擔(dān)的技術(shù)：USB Power Delivery
作為減輕環(huán)境負擔(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連接可實現(xiàn)高達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。以往每臺設(shè)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(shè)備之間主要 是數(shù)據(jù)通信，而通過USB PD可同時實現(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， 從而可實現(xiàn)最高達100W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(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，還具有可不分正反插入等優(yōu)勢，預(yù)計將會成為未來USB連接器的主流產(chǎn)品。
ROHM不僅擁有滿足以往的USB Type-A/B標準的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10W左右的滿足Type-C標準的設(shè)備之間，可實現(xiàn)高達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（圖4）。
圖4．USB PD Type-C 應(yīng)用例 同時，在USB端子的傳統(tǒng)用途---智能手機和平板電腦等中，可實現(xiàn)比以往高約4倍以上的快速充電。另外， 還支持可通過USB通信信號線傳輸視頻信號的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(gòu)筑更加便利的環(huán)境。4．減輕環(huán)境負擔(dān)的技術(shù)：無線供電
作為降低環(huán)境負擔(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等移動設(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。
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(shù)以歐美 為中心已經(jīng)開始逐步在智能手機和基礎(chǔ)設(shè)施中得以應(yīng)用。
ROHM面向平板電腦和智能手機等移動設(shè)備，一直在推進無線供電控制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）國際標準WPC（Wireless Power Consortium）最新Qi標準中等功率規(guī)格的芯片組，在平板電腦等10W級應(yīng)用中實現(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準PMA（Power Matters Alliance），實現(xiàn)了可自動切換WPC（10W）和PMA（5W）的 雙模充電(圖5)。

圖5．無線供電 預(yù)計未來電源模塊和電源電路將面臨更加苛刻的能效標準和環(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。ROHM將致力于綜合應(yīng)用，持續(xù)推進滿足這些市場需求的產(chǎn)品開發(fā)。