LED驅動(dòng)電源模塊及相關(guān)元器件的最新技術(shù)動(dòng)態(tài)

1.電源模塊相關(guān)發(fā)展概況

一直以來(lái)，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(lái)，對這類(lèi)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(shuō)是“環(huán)境”。近年來(lái)，世界各地頻繁發(fā)生環(huán)境問(wèn)題，各國展開(kāi)了諸多致力于減輕環(huán)境負擔的行動(dòng)，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(gè)。

關(guān)鍵詞①：高效化

隨著(zhù)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，其中絕大多數產(chǎn)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(jiǎn)單地計算一下每年可節約50億W，節能效果相當于5座核電廠(chǎng)。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(kāi)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(wú)法在美國國內銷(xiāo)售。因此，以AC/DC適配器廠(chǎng)家等為主的企業(yè)正在加速推出滿(mǎn)足該標準的產(chǎn)品。

表1.DOECEC6級外部電源能效標準AC/DC電源(輸出電壓R6V)

表2.DOECEC6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(zhù)電氣產(chǎn)品生產(chǎn)數量的增加，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(lái)，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(lèi)環(huán)境負擔的技術(shù)開(kāi)發(fā)取得不菲成果，越來(lái)越多的產(chǎn)品開(kāi)始搭載電源模塊和電源電路。在不久的將來(lái)，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)和應用等進(jìn)行介紹。

2.同步整流與低功耗化功能

作為實(shí)現電源模塊(AC/DC適配器等)高效化的技術(shù)，包括開(kāi)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)方面備受矚目。

在以往的AC/DC轉換器中，基于電路簡(jiǎn)單、相對廉價(jià)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(lái)一些問(wèn)題。作為降低這種損耗的對策，如今已經(jīng)逐步開(kāi)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(guò)更低的導通電阻(低Ron)來(lái)降低導通損耗(圖1)。工作與一次側的開(kāi)關(guān)工作同步使整流元件的MOSFET進(jìn)行ON/OFF。

圖1.同步整流方式

同步整流方式本身絕大多數采用低壓(尤其是12V以下)DC/DC轉換器，因此并非全新技術(shù)的產(chǎn)品。但是，AC/DC轉換器存在控制方法等課題，這一直阻礙著(zhù)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)，該方式根據輸入輸出條件和變壓器規格進(jìn)行連續模式工作。但是，在同步整流方式下進(jìn)行連續模式工作時(shí)，可能會(huì )導致無(wú)法正?？刂?，因一次側的開(kāi)關(guān)元件和二次側的整流元件同時(shí)導通，會(huì )貫通電流造成元件損壞。因此，大多數情況下，同步整流方式僅限增加了防止同時(shí)導通的保護電路時(shí)、以及不連續模式工作時(shí)(準諧振方式和不連續模式工作)使用。

但是，此次開(kāi)發(fā)的ROHM同步整流IC，成功攻克了該課題，實(shí)現并采用了在連續模式工作時(shí)也無(wú)需特別保護電路的穩定的同步整流工作。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(本公司比較數據)(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+分流穩壓器部的結構，一個(gè)IC具備兩種功能。分流穩壓器部實(shí)現低電流工作(40uA)，同步整流控制部通過(guò)無(wú)負載時(shí)等自動(dòng)進(jìn)入休眠模式，降低工作電流。由此，與以往使用通用分流IC時(shí)相比，無(wú)負載時(shí)的功耗降低了25mW以上(本公司比較數據)

3.減輕環(huán)境負擔的技術(shù)：USB Power Delivery

作為減輕環(huán)境負擔的技術(shù)之一而被寄予眾望的是USB Power Delivery(USBPD)。

USBPD通過(guò)USB連接可實(shí)現高達100W的供電。USBPD根據不同設備的電源電壓要求，來(lái)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(gè)電源。另外，以往在設備之間主要是數據通信，而通過(guò)USBPD可同時(shí)實(shí)現雙向相互供電(圖3)。

圖3.何謂USB Power Delivery

在USBPD的普及過(guò)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?xún)H1節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(shí)現最高達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(huì )成為未來(lái)USB連接器的主流產(chǎn)品。

ROHM不僅擁有滿(mǎn)足以往的USBType-A/B標準的USBPD控制IC(BD92S系列)產(chǎn)品，還新開(kāi)發(fā)出滿(mǎn)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(mǎn)足Type-C標準的設備之間，可實(shí)現高達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(guò)USB端子供電來(lái)帶動(dòng)(圖4)。

圖4.USBPDType-C應用例

同時(shí)，在USB端子的傳統用途---智能手機和平板電腦等中，可實(shí)現比以往高約4倍以上的快速充電。另外，還支持可通過(guò)USB通信信號線(xiàn)傳輸視頻信號的Alternate-Mode控制，無(wú)需視頻專(zhuān)用端口，因此，可在供電的同時(shí)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(shù)：無(wú)線(xiàn)供電

作為降低環(huán)境負擔的技術(shù)，無(wú)線(xiàn)供電也備受關(guān)注。

隨著(zhù)平板電腦和智能手機等移動(dòng)設備的日益普及，“無(wú)線(xiàn)”數據傳輸已經(jīng)司空見(jiàn)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(xiàn)傳輸為主流。無(wú)線(xiàn)供電因其可解決這類(lèi)有線(xiàn)充電和每個(gè)設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(diǎn)。

如今，隨著(zhù)以WPC和PMA為首的旨在普及無(wú)線(xiàn)供電的標準團體成立并制定國際標準，無(wú)線(xiàn)供電技術(shù)以歐美為中心已經(jīng)開(kāi)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(dòng)設備，一直在推進(jìn)無(wú)線(xiàn)供電控制IC(BD57015GWL：接受端/終端，BD57020MWV：發(fā)射端/充電端)的開(kāi)發(fā)。

這兩款產(chǎn)品均為符合無(wú)線(xiàn)供電(無(wú)線(xiàn)充電)國際標準WPC(WirelessPowerConsortium)最新Qi標準中等功率規格的芯片組，在平板電腦等10W級應用中實(shí)現了無(wú)線(xiàn)供電。另外，接收端/終端的BD57015GWL還支持在北美市場(chǎng)推行的無(wú)線(xiàn)供電國際標準PMA(PowerMattersAlliance)，實(shí)現了可自動(dòng)切換WPC(10W)和PMA(5W)的雙模充電(圖5)。

圖5.無(wú)線(xiàn)供電

預計未來(lái)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(wèn)題。要想滿(mǎn)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(zhù)眼于電氣產(chǎn)品整體的行動(dòng)。ROHM將致力于綜合應用，持續推進(jìn)滿(mǎn)足這些市場(chǎng)需求的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)。