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得 Fairchild 一甲子功力灌顶,安森美半导体电源转换底气足

时间:2017-06-15 08:22来源:Compotech 作者:任苙萍 点击:
节能系统设计○之高性能电源转换
安森美半导体 (ON Semiconductor) 在去年并购快捷半导体 (Fairchild,中文另名作"仙童半导体"、"飞兆半导体"或"快捷半导体") 这家元老级功率组件厂后,在电源市场的发展可谓如虎添翼。安森美半导体大中华区应用工程中心总监张道林表示,Fairchild 的加入,将可强化高功率绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 产品线及超接面 (super- junction) 技术,为市场提供更广泛的功率组件、扩大产品组合。关于如何实现智能环保的电源设计,他认为须从"提升电源转换效率"着手,以降低开关损耗 (Switch Loss) 以及因阻抗而生的传导损耗 (Conduction Loss)。
 

照片人物:安森美半导体解决方案工程中心总监张道林
 
相差损耗&谐波失真,PFC 不可少
张道林指出,降低开关损耗最有效的方式就是"通过控制器降低开关频率"。他首先就"相差损耗"(Phase-difference Loss) 做说明:在一般电源供应器将交流电的电压转成高压直流电源的过程中,会因电压与电流波形相位不一致而导致相差损耗;若功率因子太低,就会浪费电力。在此状况下需要进行功率因子修正 (PFC)。因此,IEC 法规明订电源供应器大于 75W、照明大于 25W 者,须加装 PFC 器件,尽量减少电压与电流之间的相位差,以提高功率因子与降低电流谐波失真,欧美现已普遍奉行此规定。
 
功率因子 (Power Factor, PF) 与总谐波失真 (Total Harmonic Distortion, THD),即是判断 PFC 控制器效能的主要指标。张道林进一步解释,PFC 分为有源和无源两种:前者是由电感、金氧半场效晶体管 (MOSFET)、二极管 (Diodes)、电容以及控制 IC 等组件所构成,功率因子可达 0.9 以上,转换效率较高;后者是以电感组件补偿输入电压与电流之间的相位差,功率因子仅 0.7~0.8,但结构简单、成本低是其优点。PFC 的操作模式又可基于功率等级,分为连续、非连续与临界导通等三种模式:非连续与临界导通模式适用小于 300W 的应用,连续模式则适用于 300W 以上的高功率。
 

图1:安森美是高性能电源转换的领导厂商之一
资料来源:安森美半导体提供
 
张道林补充,当系统处于全载时最须留意的是传导损耗;要降低 PFC 的传导损耗,除了降低峰值电流外,还可通过采用低导通 RDS (ON) 电阻值之 MOSFET 达成目的;要求低功耗的轻载或无载,高频率开关所产生的切换损耗则是致命伤,可经由 PFC 控制器在轻载时降低切换频率来实现。若再辅以突波模式 (Burst Mode)、优化待机/休眠/唤醒机制,就能打造最省电的系统。因此,电源设计是否够智能省电达到低功耗高效率的要求,"关键就在控制器"。
 
"超接面"应用普及加速"氮化镓"商用,2020 年见甜蜜点
张道林以物联网 (IoT) 应用为例,"系统及平台主机须永远不断线"(always- on),是节能系统设计最大的挑战所在。为降低待机状态的功耗,"智能无源感测"组件是较建议的解决方案;它是类似 e-tag 的无源传感器,平时全然不须耗电,仅在需要时才读取数据即可。然而,其它感测组件如光学/影像等此类 CMOS 传感器,却必须"常保清醒",否则就失去监控的意义;与此同时,运作需不需要采用电池?也是一个重要考虑。谈到开关式电源 (Switch Power),安森美半导体亦是氮化镓 (GaN) 的先驱之一。
 

图2:安森美 LC709203 电池电量检测器IC,可用于无线/便携设备
资料来源:安森美半导体提供
 
张道林强调,GaN 特别适用于高频率开关的适配器;相较于硅组件,GaN 因漏极 (drain)—源极 (source) 电压更稳定,具有相对低的导通即切换损耗的特性,所以所需要的电感、电容尺寸可大幅缩减,连带整个功率模块及变压器的体积也轻巧许多。FINsix 公司在 2014 年美国 CES 展出的 65W 电源供应器,尺寸只有原来的传统适配器 1/3,就是采用 GaN 组件。不过他透露,要提高电源供应效率及降低损耗,轻载或无载状态下的"降低损耗"极为关键,而"良率"仍是 GaN 大量商用化的门坎;所幸,"超接面"工艺对加速普及贡献良多。
 
张道林预估,随着技术的成熟、密度及效率的进步,GaN 市场可望在 2020 年来到价格甜蜜点。至于渐受瞩目的无线充电,身为 AirFuel 联盟一员的安森美半导体难掩兴奋地宣布:"我们已接获来自于亚洲首家量产 AirFuel 模块厂商的大单!"他表示,AirFuel 一开始就采磁谐振及电源管理算法 (PMA) 方式充电,是安森美半导体决定投入的最大诱因。面对有人提出:NFC 的工作频率为 13.56 MHz,刚好是 AirFuel 6.78 MHz 充电频率的两倍,会引发"倍频"谐波的质疑,张道林的回应是:AirFuel 无线通信功能并非内建在功率模块中,可借助嵌入式调谐器 (tuning) 解决。
 
最后,张道林总结有三大竞争优势:1.与高通、联发科等通信平台芯片厂密切合作,合力搭建平台提升效能、共同推广;2.拥有完整无线充电、穿戴设备等软件开发工具包 (SDK);3.组件多经过国际标准认证,用户可尽速量产且确保质量无虞。
 

图3:安森美半导体的物联网开发工具包 (IDK) 提供一个可配置的平台,包括一个主板和一个 ARM Cortex-M3 处理器
资料来源:安森美半导体提供
(责任编辑:helen)
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