電源用元件的技術動向

2019-11-03 09:56:34

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供稿：網(wǎng)友

劉暉梁力半導體器件

　　隨著筆記本電腦、手機等移動設備的普及，加速了電源用高性能、超小型封裝半導體器件的商品化。

　　在電子設備的電源電路中用到很多半導體器件。分立器件方面包括雙極晶體管、FET(場效應晶體管)、整流二極管等。集成電路(IC)方面包括DC-DC轉(zhuǎn)換器IC、穩(wěn)壓IC、電池備用IC、電流讀出放大器、復位IC、鋰離子電池保護用IC、運算放大器等。近年來，隨著筆記本電腦、手機等移動設備的普及，對應各種電池電源用半導體器件的開發(fā)越來越活躍，高性能、超小型封裝產(chǎn)品正在加速形成商品化。

　　雙極型晶體管正由GTO(可關斷晶閘管)向BJT(Bipolar Junction Transistor，雙極結(jié)型晶體管)等高速、低損耗化方向發(fā)展。目前將開關損耗降至最小、活用低飽和電壓特點的超高速、高耐壓的產(chǎn)品正在開發(fā)中。

　　FET由結(jié)型FET轉(zhuǎn)向高速、高性能的MOSFET和SIT(Static Induction Transistor，靜電感應晶體管)。電源(開關電源或DC-DC轉(zhuǎn)換器)中一般使用的是N溝道的MOS-FET。最近700V高耐壓的產(chǎn)品也在開發(fā)中。另外，低電壓的功率MOSFET在N溝道的基礎上，又開發(fā)出了P溝道的MOSFET。以往，電源中大量使用晶體管(也稱為功率器件)。但近年來，因MOSFET的優(yōu)越頻率特性，不僅開關速度快，而且因為沒有二次壓降、電路結(jié)構(gòu)簡單、種類逐漸增多、小型化等因素，價格也越來越便宜，逐漸得到廣泛應用。現(xiàn)在存在的課題是降低導通電阻和提高開關速度。此導通電阻是功率MOSFET工作時的電阻，它是左右功率MOSFET性能的最重要的參數(shù)。因此為達到低消耗電流，各公司正盡力改善工藝以降低導通電阻。現(xiàn)在，這個問題基本上得到了解決。移動設備用的功率MOS-FET因用于各種攜帶式設備中，所以較多采用SOP(小型離線封裝)或TSOP(Thin SOP)等薄型、超小型封裝，近年來新的超小型封裝形式如VSON(Very thin Small Outline Non-leaded Package極小極薄型無引線封裝)和CMFPAK備(Compact Mini Flat Package，微小型扁平封裝)等也陸續(xù)面市。這些封裝形式與TSOP相比，芯片與基板的實裝面積減少了一半。

　　整流用二極管用于開關電源的第二級。這種整流二極管又分為PN接合型高速二極管(Fast Recovery Diode)和肖特基勢壘二極管(Schottky Barrier Diode)。SBD是利用硅與勢壘金屬的肖特基結(jié)合形成的二極管，具有良好的高頻特性，但高耐壓是它的缺陷。現(xiàn)在，主要使用的是40～90V耐壓的SBD。最近，因各種設備逐步趨向低壓化，利用低導通電阻的功率MOSFET的第二級同步整流方式漸漸取代了整流二極管。

　　另外，作為電源控制用IC，需要具有低功耗、可高頻控制、能在高溫環(huán)境下工作的特性。最近據(jù)說有利用軟開關技術開發(fā)專用IC的動向。而且，通過采用智能型功率器件以求減少元件數(shù)，并使高耐壓功率MOSFET與CMOS控制電路在一個芯片內(nèi)實現(xiàn)，所有這些都有利于減少器件的數(shù)量，提高其可靠性。

　　DC-DC轉(zhuǎn)換器IC是將直流升壓、降壓以在電路板上改變電源電壓。最近的半導體器件中混合著不同工作電壓的部件，所以搭載數(shù)個DC-DC轉(zhuǎn)換器的情況較多。

　　由于通信領域正在向?qū)拵Щ⒏咚倩?大容量高速通信)發(fā)展，因此要求該領域的DC-DC轉(zhuǎn)換器具有大功率、大電流、小型/薄型、高效率、高可靠性、低噪音以及高速應答等特性。這些DC-DC轉(zhuǎn)換器大致可分為以下兩種方式，即使用散熱片、輸出功率達數(shù)十瓦～數(shù)百瓦的功率模塊方式和單體使用、輸出功率數(shù)瓦～數(shù)十瓦的插件方式。

　　DC-DC轉(zhuǎn)換器利用共振或部分共振的軟開關技術使開關頻率達到高頻化，利用有源箝位電路技術和正反饋技術等實現(xiàn)小型、高功率、低噪聲化，各電源生產(chǎn)廠家正開發(fā)獨特的電路方式以區(qū)別于其他公司的同類產(chǎn)品。特別是近年來信息處理的高速、大容量化促使CPU向低電壓、大電流以及高頻化發(fā)展，此類技術正受到業(yè)界關注。

　　對應低電壓、大電流，各電源生產(chǎn)廠家將整流元件由以往的二極管替換為FET以降低二極管的正向電能損失，同時利用同步整流技術開發(fā)出輸出電壓達1.2V的低電壓產(chǎn)品，并逐步實現(xiàn)商品化。另外，作為解決大電流的手段之一，采用將DC-DC轉(zhuǎn)換器并聯(lián)、利用電流均分控制電路技術的產(chǎn)品正在開發(fā)中，逐步向商品化轉(zhuǎn)化。

　　此外，當CPU工作頻率超過1GHz以上時，因DC-DC轉(zhuǎn)換器的應答遲緩，從而限制了CPU的能力。為解決這個問題，開發(fā)出了多相變換器技術。即將數(shù)個DC-DC轉(zhuǎn)換器并列工作，并錯開各自的相位，使其同步工作以改善高速應答性能，與前述的電流均分控制技術相結(jié)合，就可以得到滿足性能要求的DC-DC轉(zhuǎn)換器。現(xiàn)在，通過多相變換器技術使工作頻率達到1MHz的DC-DC轉(zhuǎn)換器也正在實現(xiàn)商品化。

　　在電路開發(fā)之外，器件的開發(fā)也在加快速度。象FET的高速開關、低導通電阻化，各種電路結(jié)構(gòu)專用的控制IC正接連不斷的開發(fā)出來，并實現(xiàn)商品化，從而加速了DC-DC轉(zhuǎn)換器向大功率、小型/薄型、高效率化方向的發(fā)展。

　　穩(wěn)壓IC是對應電壓的波動、始終向電子設備各個模塊提供穩(wěn)定電壓的器件。最近筆記本電腦在追求大電流電源的同時，由于I/O電壓差的減小，LDO(Low Dropout，低漏失)型穩(wěn)壓IC的需求逐漸增多。

　　電池備用IC是在電源瞬間掉電時，監(jiān)護系統(tǒng)內(nèi)的數(shù)據(jù)，完成向電池切換的器件。電流讀出放大器監(jiān)視著電池的充放電并把該數(shù)據(jù)送至CPU，管理電池的余量等。復位IC用于監(jiān)視電源，內(nèi)藏有比較器和基準電壓，在系統(tǒng)電源開、關及瞬間掉電時進行初始化，防止系統(tǒng)的失控。運算放大器是用于增幅的IC。

　　鋰離子電池保護用IC用于控制鋰離子電池的充放電。在使用鋰離子電池的場合，過充電會造成電池內(nèi)部壓力上升，引起電池的破壞或金屬鋰的沉淀，產(chǎn)生發(fā)熱的危險。另外，若電池電量完全用盡還會造成電池無法再使用，因此必須在電池余量變?yōu)椤?”之前停止放電。鋰離子電池保護用IC就是用于這些目的的IC。該IC具有的功能就是檢測出過充電、過放電、過電流等。

　　到目前為止，電源用半導體器件更多的是采用雙極型的產(chǎn)品，隨著低功耗的需求的迫切，CMOS型產(chǎn)品正在逐漸增多。

變壓器及扼流圈

　　開關電源的變壓器是在高頻特性優(yōu)良的鐵氧體磁心上纏繞線圈而得到的。隨著變壓器的小型化、薄型化的要求，需要有更高性能的磁心。

　　近年來，由于采用計算機進行材料的技術分析，可以選擇出滿足產(chǎn)品規(guī)格的變壓器磁心材料，并通過仿真確定磁心的最佳形狀。

　　另外，線圈材料也變?yōu)楸饩€以減少線圈損耗、變?yōu)殄a箔狀的迭層構(gòu)造以實現(xiàn)薄型化。采用薄膜線圈(sheet coil)、框架線圈(frame coil)的變壓器也在開發(fā)中。低噪聲方面，將繞線管分割為多段構(gòu)造從而降低噪聲。裝配于電路板上的變壓器更多采用的是SMD(表面貼裝元器件)技術。

　　有一種利用壓電現(xiàn)象做成的壓電變壓器。這種變壓器可以實現(xiàn)高效率、小型/薄型化，所以多用于筆記本電腦的液晶背光用倒相器。作為安全對策，正在開發(fā)強化絕緣、無煙、無火花的難燃密閉型的變壓器。

　　扼流圈與變壓器一樣、也是鐵氧體磁心纏繞上線圈而得到的。但變壓器有多個端子，而扼流圈只有兩個端子。因其以手機和筆記本電腦為目標，所以要求具有小型、薄型化的特點。因此磁心多使用高飽和磁通密度、低漏磁通的材料。另外，為解決噪聲的共模方式扼流圈及對應高次諧波的扼流圈的開發(fā)也十分活躍，同時有些公司也正在開發(fā)混合型扼流圈，謀求可以同時解決噪聲和高次諧波的問題。

電容

　　電容是決定電源壽命的重要元件之一，所以近年來其壽命及耐熱特性得到很大關注。電源中使用最多的是鋁電解電容，現(xiàn)正在開發(fā)電源輸入電路用的105℃、保證壽命8000小時的電容。另外，輸入濾波的高脈動化電容、對應異常應力的安全電容等也在開發(fā)中。同時也在改善二次濾波的高頻低阻抗及低等價直流電阻ESR(Equipment Series Resistance)等特性。

　　為適應電子設備的日益小型/薄型化，也采用SMD技術。然而對于鋁電解電容來說，因為它的容量與體積的依存性很大，所以在小型化上存在極限，進而產(chǎn)生了采用橫向配置、改變形狀等方法，并設法開發(fā)超低高度(3.95mm)的直立型電容。此外，最近各公司正在開發(fā)使用高分子或固體電解質(zhì)的無電解液的電容，并即將形成商品化。

　　取代次級用鋁電解電容及小容量的DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸入級電容的是迭層陶瓷電容。迭層陶瓷電容是通過低溫燒結(jié)形成均一粒子的陶瓷薄層化技術得到的大容量電容。以前電容電極使用貴金屬鈀(palladium)，所以價格昂貴，最近通過采用鎳電極降低了成本，從而價格越來越便宜。另外，容量達100mF的大容量品種也陸續(xù)面市，中高耐壓的產(chǎn)品也在開發(fā)中。迭層陶瓷電容是以SMD形式設計的小型品，在電源的小型化、長壽命方面，起到了關鍵作用。最近1005(1.0×0.5mm)大小的1mF電容也在開發(fā)中。

　　作為取代二次濾波用鋁電解電容的鉭電容，采用的也是SMD形式。小型、容量大是它的特點。最近通過充分發(fā)揮鉭粉的高CV(卡路里值)性能的產(chǎn)品也在開發(fā)中，1.6×0.85×0.8mm大小即可得到10mF的大容量電容。此外，人們也關注著低ESR、高容許脈動的大容量高分子鉭電容的開發(fā)。

熱敏電阻

　　開關電源由于其高效率、小型化的優(yōu)點而成為電子設備的主流電源。但另一方面，因高頻化、小型化的要求，使得解決開關電源的發(fā)熱問題變得越來越重要，另外，異常時的過電流和大容量的濾波電容的沖擊電流問題也必須得到解決。現(xiàn)介紹一下用于此方面的PTC(正溫度系數(shù))熱敏電阻、NTC(負溫度系數(shù))熱敏電阻。

·過熱檢測用PTC熱敏電阻

　　高密度、高輸出的開關電源對于發(fā)熱問題的考慮十分重要。通常，采用放置用于散熱的元件或散熱片、強制氣冷風扇等方法，但即使這樣，因使用狀況的不同，也會發(fā)生超過容許溫度值以上的情況。這時就需要使用溫度檢測元件，當?shù)竭_異常溫度時，強制抑制其輸出。

　　PTC熱敏電阻具有正的電阻溫度特性，對于想檢測的過熱溫度具有很好的敏感度。因此，以PTC熱敏電阻作為溫度傳感器，簡單的電路結(jié)構(gòu)就可以實現(xiàn)過熱保護功能。這樣，就能夠防止冒煙、放火花等故障，防患于未然。

　　而且，使用PTC熱敏電阻保護電路的另一個特點是：解除發(fā)熱異常的原因后，系統(tǒng)可以回到正常狀態(tài)進行工作，無需象使用溫度保險絲等元件那樣必須進行更換。

·過電流檢測用PTC熱敏電阻

　　通常將電阻值較低的PTC熱敏電阻放入電源電路中的話，電壓降、功耗都很少，而當有過大的異常電流流過時，因PTC熱敏電阻自身的發(fā)熱使其電阻值迅速增加變?yōu)榇箅娮瑁瑥亩鴮崿F(xiàn)限流的作用。

　　同樣，PTC熱敏電阻構(gòu)成的過電流保護電路具有復原的特性，解除發(fā)生過電流的原因后即可恢復到原來的電阻值，無需象電流保險絲一樣進行更換。另外，因電涌而引起的誤動作及故障少是它的另一大特點。

·抑制過沖電流的NTC熱敏電阻

　當開關電源啟動時，伴隨濾波電容的初期充電會產(chǎn)生過沖電流。這種電流可以達到正常動作電流的十倍以上，造成二極管、開關、保險絲等發(fā)生故障、變質(zhì)。為抑制過沖電流，在輸入端的濾波電容處串入NTC熱敏電阻，因其具有負的電阻溫度特性，隨著溫度的升高電阻值逐漸減小，因此在電源啟動初期，它變?yōu)榇箅娮瑁种七^沖電流，之后伴隨著電流的流過、自身發(fā)熱(焦耳熱)，從而降低自己的電阻值得以限制功耗。除使用NTC熱敏電阻以外，還可以使用固定電阻器來構(gòu)成過沖電流抑制電路。但這種電路在正常工作狀態(tài)下功耗很大，對于節(jié)省能源很不利。對于這一點，可以在固定電阻器上并聯(lián)電磁繼電器或三端雙向可控硅等開關元件，當電源進入正常工作狀態(tài)后將此開關接通，則可限制正常工作狀態(tài)的功耗，但這種作法將導致元件數(shù)增多，另外還需要開關元件的驅(qū)動電路，這又成為一個問題。從以上觀點可以看出，NTC熱敏電阻是最適合節(jié)省能源的抑制過沖電流的元件。

今后的課題

　　伴隨著開關電源的小型化、高效率化的發(fā)展，對PTC熱敏電阻的小型化、高精度、低電阻的要求自不必說，對抑制過沖電流的NTC熱敏電阻的小型化、大容量的要求也十分強烈。現(xiàn)在一些公司正在進行陶瓷材料的開發(fā)、重新設計電路結(jié)構(gòu)等工作，以達到客戶的需求、提供滿足市場需要的產(chǎn)品。■

摘自《電子產(chǎn)品世界》

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