1.電源模塊相關發(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(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)境負擔的行動，當然對電源的環(huán)保策略也早已提上日程。其關鍵詞有以下兩個。
關鍵詞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(shù)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品。
表1.DOECEC6級外部電源能效標準AC/DC電源(輸出電壓≧6V)
表2.DOECEC6級外部電源能效標準AC/DC電源(輸出電壓<6V)
關鍵詞②：減少工業(yè)廢棄物
隨著電氣產品生產數(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，重復使用：Reduce，循環(huán)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(huán)使用，大部分均被廢棄。如今，減輕這類環(huán)境負擔的技術開發(fā)取得不菲成果，越來越多的產品開始搭載電源模塊和電源電路。在不久的將來，這些技術有望為工業(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(xiàn)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(fā)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?zhèn)涫懿毮俊?/p>
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(fā)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(圖1)。工作與一次側的開關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(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，可能會導致無法正?？刂疲蛞淮蝹鹊拈_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(shù)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(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)壓器部的結構，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)境負擔的技術：USB Power Delivery
作為減輕環(huán)境負擔的技術之一而被寄予眾望的是USB Power Delivery(USBPD)。
USBPD通過USB連接可實現(xiàn)高達100W的供電。USBPD根據(jù)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USBPD則可共享1個電源。另外，以往在設備之間主要是數(shù)據(jù)通信，而通過USBPD可同時實現(xiàn)雙向相互供電(圖3)。
圖3.何謂USB Power Delivery
在USBPD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(USBVBUS)被限定為5V。新推出的Type-C連接器，與USBPD結合使用，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USBType-A/B標準的USBPD控制IC(BD92S系列)產品，還新開發(fā)出滿足最新的USBType-C標準Rev1.1和USBPD標準Rev2.0的USBPD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備，也可通過USB端子供電來帶動(圖4)。
圖4.USBPDType-C應用例
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，非常有助于構筑更加便利的環(huán)境。
4.減輕環(huán)境負擔的技術：無線供電
作為降低環(huán)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(shù)據(jù)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麻煩而廣受關注，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：接受端/終端，BD57020MWV：發(fā)射端/充電端)的開發(fā)。
這兩款產品均為符合無線供電(無線充電)國際標準WPC(WirelessPowerConsortium)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(PowerMattersAlliance)，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品整體的行動。ROHM將致力于綜合應用，持續(xù)推進滿足這些市場需求的產品開發(fā)。
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