電源用元器件技術及發(fā)展趨勢

隨著電子設備向小型、高密度發(fā)展，電源也要滿足小型、重量輕和高效率的要求。今天，效率更高的由高頻轉換的轉換電源及DC-DC變換器已成為主流。同時，電子設備中的IC還需要穩(wěn)定地供給額定電壓，同時功耗及降低待機功耗要求也越來越嚴格。因此，這樣的電源所用的半導體器件及電路元件，都在以提高性能和長壽命為目標進行開發(fā)。

電源用半導體器件
用于電源的半導體器件有功率晶體管、整流二極管、電流控制器IC以及穩(wěn)壓IC和復位IC等。功率晶體管過去多用雙極晶體管，近年來已廣泛使用MOSFET。由于MOSFET的頻率特性極佳，可在更高頻率下進行轉換，能使電源做得更小。此外，移動電話及便攜設備的普及，低壓MOSFFET用于DC-DC變換器電源也受到重視。整流二極管有高速二極管(FRD)和肖特基勢壘二極管(SBD)。最近由于電子設備向低電壓發(fā)展，用低導通電阻的功率MOSFET代替整流二極管的2次端同步整流方式用得越來越多。
電源控制IC是在低功耗下進行高頻控制并能在高溫下穩(wěn)定工作。最近為適應轉換(部分諧振變換器)，還有開發(fā)專用IC的趨勢。而穩(wěn)壓器IC則是對電子設備的各個組件供給穩(wěn)定的電壓。筆記本計算機等因CPU的時鐘速度不斷提高而需要大電流電源，而且由于器件內部的細微化和低電壓，輸入輸出電壓差縮小，增大了LDO(Low Drop Out ，低壓降)穩(wěn)壓器的需求。
復位IC技術
近年來，所有的電氣設備都采用了微控制器或DSP等數字電路。在這種設備中，當電源接通或斷開時，必須對微控制器或DSP復位來防止系統(tǒng)的誤動作。此外，電池驅動的便攜設備中，電源開、關時，也有必要對監(jiān)視其電源電壓的系統(tǒng)進行復位控制。因此，作為一種實現(xiàn)高可靠性工作的重要器件，出現(xiàn)了各種復位IC方案。這里介紹日本ROHM公司采用CMOS高阻抗工藝技術(低功耗化)、修整技術(檢測電壓高精度化)、超小型封裝技術(縮小安裝面積)等開發(fā)的復位IC。它們具有以下特點：
檢測電壓精度高：采用激光修整(Laser Trimming)技術，比以往±2%的精度提高0.5%，實現(xiàn)業(yè)界最高±1.5%的精度。該精度可確保實現(xiàn)要求高精度的復雜系統(tǒng)的復位動作。
超低功耗：超低功耗復位IC不能無謂浪費功耗，使用消耗電流少的耗盡型MOS和對電壓檢測電阻獨創(chuàng)的高阻抗工藝，實現(xiàn)了超低消耗電流(典型值0.8mA)。
小型封裝：復位IC應當盡可能緊挨著微控制器、DSP等外接電源電壓的端子，就需要實際小型封裝，而且隨著設備向薄型發(fā)展，不僅安裝面積縮小，元件的高度也必須考慮。為此，除小型封裝SMP5C2外，還開發(fā)了超小型EMP5封裝(含引線在內面積1.6×1.6mm=2.56mm2,高為0.6mm)。與SMP5相比，安裝面積減少約70%，高度降低50%以上(圖1)。

圖1 外形尺寸圖

圖2-a  輸入/輸出電壓對稱圖  圖2-b  BD45XXXG, BD46XXXG框圖


圖3 直流重疊特性比較


圖4 推薦驅動回路


消除外接電容：在復位IC中，設定延遲時間通常有以下三種方法：(1)在開放的漏極輸出端接電容，由CR時間常數來設定；(2)在帶外接電容延遲功能的復位IC中，在專用端子(CT端子)接電容，由其時間常數來設定；(3)設定IC內部振蕩器及計數器的延遲時間。其中(1)和(2)均需外接電容，增加了元件數量，(3)則無外接電容而具延遲功能(見圖2)。當輸入電壓超過檢測電壓時內部振蕩器開始工作，由內部計數器對振蕩器信號計數，當達到所設定的規(guī)定時間，輸出便從L切換為H(改變計數可設定延遲時間)。一但輸出切換，振蕩器便同時停振。這樣，產生延遲時間的振蕩器在需要時間之外不工作，實現(xiàn)了低功耗。

變壓器與線圈
用于電源變換器中的變壓器采用了高頻特性極佳的鐵氧體磁心。為了變壓器的小且薄，要求高性能的磁心材料和最佳的形狀，近年來已利用計算機的材料分析及模擬來制造滿足規(guī)格要求的變壓器。而且繞線材料從圓線變成了方線來降低繞線損耗。還開發(fā)了采用薄型線圈或定心線圈的變壓器。為進一步降低噪聲，還在開發(fā)采用多線圈架結構的變壓器。
扼流圈同樣是把線繞在鐵氧體磁心上。用于移動設備中DC-DC變換器的扼流圈因要求小、薄，磁心材料使用了高飽和磁感應密度且低漏泄磁通制品。電源中，還使用了對付噪聲的通用型扼流圈和對付諧波的扼流圈。
高效率小型扼流圈技術
用于低電壓大電流降壓電路中的扼流圈有大電流流過，其損耗導致發(fā)熱，因此，扼流圈必須適應大電流，而且還要求低功耗和小尺寸。NEC公司繼推出采用金屬粉心的大電流扼流圈C.PI系列后，又開發(fā)了適合高效率、電源損耗更低的R.PI系列和尤其針對小型要求的磁偏置扼流圈MB.PI系列，并已商品化。
R.PI系列采用了在高頻領域損耗低的Mn-Zn鐵氧體磁心，在500kHz~1MHz頻段中實現(xiàn)了高效率化。R.PI的磁心損耗在500kHz時，只為C.PI的1/5，在1MHz時也低于1/2。電源負載效率特性在500kHz時最大提高4%。圖3示出兩者的直接疊加特性，R.PI系列因鐵氧體磁心飽和，電感值急劇下降。兩種產品形狀相似，安裝面積均為10×10mm2，直流電阻亦大體相同，均采用方形線線圈，但R.PI因采用Mn-Zn鐵氧體，故用樹脂底座來確保安裝絕緣。
作為更加小型化和降低直流電阻的有效方式，MB.PI系列采用了磁偏置技術。在磁心的氣隙間安置永磁鐵(即偏置磁體)，它移動磁心的工作點，而把磁通密度擴大到過去未使用過的領域(第3象限)，此時偏置磁體產生的磁通將與磁心產生的磁通相消。這種磁編置方式對擴大扼流圈的使用電流范圍、設定高的電感值或因磁心小型、重量輕而減少直流電阻均有作用，對扼流圈的提高密度效果極大。偏置磁體采用了極難消磁的材料，開發(fā)此種扼流圈還為降低因使用偏置磁體致使損耗增大而采取了許多措施。
MB.PI系列的鐵氧體磁心材料及產品結構大體與R.PI相同，直充疊加特性及直流電阻大致相當，但安裝面積從10×10mm2降為7.5×7.5mm2，減小44%的尺寸。

電源用電容
電容的壽命及耐熱性近來受到重視，在用得最多的鉛電解電容中，用于輸入電路的已開發(fā)了保證105℃和20000小時的產品；對輸入平滑之用還開發(fā)了適應高波紋化及異常能力的安全電容；對2次平滑正積極改進高頻低阻抗和低ESR(等價串聯(lián)電阻)等特性。此外，各公司還已開發(fā)無線電解液電容，并在產品化。
另一方面，代替電源2次端用鋁電解電容及在輸入端采用小容量DC-DC變換器，多采用積層陶瓷電容，它對電源的小型、長壽命化貢獻頗大。迄今，因電極采用貴金屬而價格昂貴，而低價金屬電極的采用使價格也降下來了。
超低阻抗鋁電解電容技術
近年來，在微機及高功能游戲機等數碼機器以及電源轉換器中，對低|Ζ|電容的要求越來越強烈。以下介紹日本Rubycon公司的有關技術。
鋁電解電容用得最廣的電解液溶劑是有40多年歷史的乙基乙二醇，到1984年時，g-t基內脂(GBL)為主溶劑的電解液已用于低壓鋁電解電容，其低溫特性(-55℃)優(yōu)越，電傳導性也好，已成為低|Ζ|電容電解液的主流。但與其它電容相比，|Ζ|仍大且壽命難以改善。為了改善|Ζ|，代替電解液，開發(fā)了用高導電的電荷移動結合物(TCNQ鹽)及導電性高分子等固體電解質的鋁固體電解電容，其|Ζ|極低，并具有近乎于薄膜電容的優(yōu)良電特性。但這類電解電容的材料價格昂貴，加之制造工藝復雜，故價格甚高。
以水為溶劑的電解液可得到極高的導電性(低的比電阻)，但有電解液的蒸氣壓增高，在高溫下電容不穩(wěn)定或內部產生化學反應(水化反應)而在短時間內引起急劇的特性變化的麻煩問題。該公司開發(fā)了以水為主溶劑加上有機溶劑為副溶劑的電解液，試驗表明，在105℃下至干涸需時9000~10000小時，且長時間特性極為穩(wěn)定，而在85℃下能保持超過24000小時的穩(wěn)定特性。
該公司開發(fā)的超低阻抗電容因采用高導電性的水系電解液，|Ζ|比過去產品大為降低。在100KHz下，ZL系列比過去的JXA減小約1/2，而最新的MCZ降低到約1/4，幾近于導電性高分子型。過去產品RZV的波紋噪聲為730mV，而低|Ζ|的ZAV為120mV，有約6倍的去噪聲能力。

微型電源組件mPM系列
該產品裝入轉換電源電路變壓器旁邊，外接幾個元件便能做成電源電路。只要輸入端接到整流及平滑電路，輸出端接到平滑電容、LC濾波器和檢測電阻(如圖4)，無需用戶設計便能方便地做成電源，并滿足小型化、節(jié)能和安全性的要求。
由日本TAMURA公司采用獨創(chuàng)的塑模技術及特殊構造實現(xiàn)的高密度小型電源組件，有以下三個優(yōu)點：(1)電源電路節(jié)省空間。把轉換電源的主要部分裝在變壓器下面不同的空處，焊上即可，可減小電源的安裝面積；(2)控制電路因采用間歇振蕩，能降低輕負荷時的功耗；(3)采用特殊構造，確保高可靠性。(4)既小型又絕緣性極佳，能適合各種安全規(guī)格。
通常，轉換電源的設計、評價需要較長時間，而采用mPM系列這類電源組件，將縮短電源的設計周期和評價時間，這是其一大優(yōu)勢。mPM系列的用途包括電視、音響等的待機電源，空調、空氣凈化機等家電的內部電源，通信設備電源，工業(yè)設備的遙控電源等。