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新一代电源核心:半导体和整流器新趋势

时间:2018-06-06 作者:李家伟,智威科技 阅读:
为了缩短手机和笔记本电脑等3C产品的充电时间,无论是提高充电电压,还是充电电流,各家快充技术的本质都在于提高充电器的功率,由早期5W提高至22W,甚至未来USB Power Delivery充电协议,功率最高可达100W。随着电源功率的提高,电池势必变得体积更大、重量更重,因此业界在半导体构造及封装的研究与改良上,持续投入了许多精力。
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目前智能手机的发展趋势,主要以更大的屏幕尺寸、更高的屏幕分辨率,以及更快的处理器为主,但不断提高的硬件规格,其耗电量也越来越可观,以2K屏幕来说,耗电量为1,080P屏幕的1.5倍以上,势必会增加锂电池的能量密度及提高充电速度,来延长手机电池的续航。tSoEETC-电子工程专辑

手机厂商为了兼顾手机轻薄外观的市场需求,电池容量设计以3,000 ~4,000mAh为主流,因此,可缩短充电时间的快充技术应运而生。目前市场上主要的快充方案有高通(Qualcomm)的Quick Charge、联发科技(MediaTek)的Pump Express,以及OPPO的VOOC等。tSoEETC-电子工程专辑

市场主要快充方案tSoEETC-电子工程专辑

高通以提高充电电压来缩短充电时间,从最早的QC 1.0 5V/2A (最大功率10W)充电规格,到QC 2.0兼容5V/9V/12V/20V四种充电电压及最大3A的充电电流(最大功率18W),再到QC 3.0支持3.6V~20V的工作电压动态调节(最大功率22W),比传统5V/1A充电技术快了4倍。tSoEETC-电子工程专辑

联发科技与高通Quick Charge相似,以恒定电流及提高充电电压至5~20V来实现更大的充电功率,最新的Pump Express 3.0宣称能在20分钟内将2,500mAh的电池从0%充到70%,比传统5V/1A充电技术快5倍。而OPPO则保持5V充电电压,提高充电电流至最高5A的方式来实现快速充电,宣称只需5分钟就可将容量3,000mAh的电池充入48%的电量。tSoEETC-电子工程专辑

为了缩短手机或是笔记本电脑等3C产品的充电时间,无论是提高充电电压,还是充电电流,各家快充技术的本质都在于提高充电器的功率,由早期5W提高至22W,甚至未来USB Power Delivery充电协议,功率最高可达100W (20V/5A),大幅缩短充电时间,因此,大功率充电器需求量增加在未来是可预期的。随着电源功率的提高,电池势必变得体积更大、重量更重,因此业界在半导体构造及封装的研究与改良上,持续投入了许多精力。tSoEETC-电子工程专辑

氮化镓半导体tSoEETC-电子工程专辑

近年来,金属氧化物半导体场效晶体管(MOSFET)已经成为切换电源的主要功率组件,从场效晶体管(FET)、双极结型晶体管(BJT)、MOSFET、到绝缘栅双极型晶体管(IGBT),现在出现了氮化镓(GaN)晶体管,可让切换电源的体积大幅缩小。tSoEETC-电子工程专辑

例如,Navitas半导体推出尺寸最小的65W USB-PD (Type-C)电源转换器参考设计NVE028A,正是使用了GaN晶体管,相较于市面上现有基于硅(Si)功率组件的适配器尺寸[约98-115cc (6-7in3),重量约300g],Navitas基于AllGaN功率IC的65W适配器体积仅45cc (2.7 in3),重量约60g,相当轻薄迷你。tSoEETC-电子工程专辑

就目前硅功率组件的切换电源来看,提高脉冲宽度调制(PWM)切换频率虽可缩小电源体积,但伴随着损耗提高而降低其转换效率,及电磁干扰(EMI)的增加,需投入更多的EMI解决对策,因此业界以65kHz为一折衷的选择。tSoEETC-电子工程专辑

虽然GaN晶体管具有切换速度快、导通损耗低、功率密度高等特性上的优势,但用户直接将电路中的MOSFET换成GaN FET,其成效往往不符合预期,原因在于须以GaN晶体管为设计中心,选择电路线路架构及控制方法,才能将GaN晶体管的优势充分发挥。Navitas AllGaN功率IC,将GaN FET、IC与驱动电路及逻辑电路做了高密度的整合,简化复杂的线路设计,让设计者可以很容易的应用并发挥其特性。tSoEETC-电子工程专辑

碳化硅半导体tSoEETC-电子工程专辑

除了GaN,碳化硅(SiC)是目前发展较成熟的宽能隙(WBG)半导体材料,在新一代电源中扮演了重要的角色,与传统硅半导体相比,可应用在较高频率、电压与温度的严苛环境下,还可达到低耗损高效率的特性。随着全球对环境保护的重视,电子产品效率要求的提高,让GaN与SiC成为世界各国半导体业研究的重点。tSoEETC-电子工程专辑

硅基IGBT一般工作于20kHz以下的频率,受到材料特性的限制,高压高频的硅功率组件难以被实现,而碳化硅MOSFET不仅适合600V~10kV的工作电压范围,同时具备优异的开关特性,能达到更低的开关损耗及更高的工作频率,如20kHz的SiC MOSFET损耗可以比3kHz的Si IGBT低一半,50A的SiC就可以代替150A的Si IGBT,SiC MOSFET的反向电荷Qrr也只有同规格Si MOSFET的5%,显示SiC有传统硅无可相比的优异特性。tSoEETC-电子工程专辑

另外,在SiC肖特基二极管(SiC SBD)方面,它具有理想的反向恢复特性,当二极管由正向导通转变为逆向关闭时,SiC肖特基二极管极小的反向恢复电流可工作于更高的频率,在相同频率下也能有更高的效率。且SiC肖特基二极管具有正温度系数的特性,当组件温度上升时,正向压降VF也随之变大,此特性若在并联使用时,可避免组件发生热失控(thermal runaway)的状况,因此拥有更高的工作温度,以及组件高温可靠性,故广泛应用于开关电源中功率因素校正(PFC)电路上,PFC电路工作于300kHz以上,可缩小电感组件尺寸,使用SiC SBD可维持相同的工作效率。tSoEETC-电子工程专辑

在Si功率组件发展的相对成熟的情况下,GaN与SiC功率组件虽具有特性上的优势,但在工艺上,其开发成本的花费要求仍较高,也因此GaN与SiC功率器件的应用至今仍未真正的普及。tSoEETC-电子工程专辑

贴片型桥式整流器的优势tSoEETC-电子工程专辑

为应对未来小尺寸、大功率适配器及快速充电器领域的开发,除了依赖前述氮化镓和碳化硅半导体的持续发展,就目前的硅功率组件来说,在电源输入端的桥式整流器,用于充电器及电源适配器的交流(AC)输入端作全波整流功能,其封装形式也逐渐由体积较大的插件式,发展为轻薄短小的贴片型小尺寸封装。tSoEETC-电子工程专辑

例如智威科技(Zowie)的4A桥式整流器Z4GP40MH,正是使用了SuperChip片型二极管封装技术,将组件厚度由传统KBP插件式封装的3.5mm降低至1.3mm,组件尺寸也缩小至8.1◊10.5mm,体积仅KBP插件式封装的17.5%,不仅可缩小组件尺寸节省空间,也符合高度有限制的特殊应用需求。tSoEETC-电子工程专辑

从以下安森美半导体(ON Semiconductor)的42W设计、德州仪器(TI)的45W与Navitas 65W设计的范例照片,就可看出电源适配器体积持续缩小的趋势,而且都使用了贴片型桥式整流器(蓝框标示处)。tSoEETC-电子工程专辑

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图1:安森美半导体的42W、TI 45W与Navitas 65W充电器设计(由左而右)tSoEETC-电子工程专辑

贴片型桥式整流器采用SuperChip片型二极管封装技术,除了将二极管贴片型化,内部结构有别于业界的引线接合法(Wire Bonding)工艺,使用的是焊接(Solder Bonding)工艺,如图2的结构示意图,二极管晶粒焊接于上下两铜布线,铜布线连接到组件正负两端子,二极管晶粒产生的热,可由铜布线导到端子,其散热能力较引线结构更佳,降低应用时的组件温度。tSoEETC-电子工程专辑

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图2:采用焊接工艺的SuperChip结构示意图tSoEETC-电子工程专辑

贴片型桥式整流器采用的芯片也具备关键性,二极管PN结以玻璃护封来降低反向漏电流,全切面玻璃护封(GPRC)技术将整流二极管PN结完整护封,具有高温漏电流较低的特性。tSoEETC-电子工程专辑

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图3:GPRC与业界GPP晶粒示意图tSoEETC-电子工程专辑

如图4高温反向漏电流特性曲线所示,GPRC芯片在150℃环温测得高温漏电流约50μA,较GPP于125℃时的高温漏电流约100μA低,产品具有更高的芯片工作温度Tj (Tj=175℃ max.),以及更好的产品可靠性。tSoEETC-电子工程专辑

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图4:GPRC芯片的VR-IR曲线tSoEETC-电子工程专辑

结论tSoEETC-电子工程专辑

在智能手机及笔记本电脑追求轻薄美观的同时,还必须兼顾其电池续航能力,在电池技术有新一代重大突破前,市场的趋势目前已朝小尺寸大功率适配器及快速充电器领域开发,持续缩短充电时间以符合消费者的使用习惯。tSoEETC-电子工程专辑

在快速充电方面,各手机厂商与其合作的快充阵营不断开发出一代又一代更快速的充电协议及硬件技术,新款手机皆已搭配原厂快充配件,大幅提高了快充普及率,预期未来在USB Power Delivery充电协议规格统一,再加上如氮化镓及碳化硅等特性优异的功率组件出现,以及小尺寸贴片型桥式整流器持续发展,可望使电源适配器及快充技术更进一步往更大功率、更快速充电、更小体积与更低的成本迈进。tSoEETC-电子工程专辑

本文来自《电子工程专辑》2018年6月刊,版权所有,谢绝转载tSoEETC-电子工程专辑

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