电源用元件的技术动向

刘晖 梁力
半导体器件

　　随着笔记本电脑、手机等移动设备的普及，加速了电源用高性能、超小型封装半导体器件的商品化。

　　在电子设备的电源电路中用到很多半导体器件。分立器件方面包括双极晶体管、FET(场效应晶体管)、整流二极管等。集成电路(IC)方面包括DC-DC转换器IC、稳压IC、电池备用IC、电流读出放大器、复位IC、锂离子电池保护用IC、运算放大器等。近年来，随着笔记本电脑、手机等移动设备的普及，对应各种电池电源用半导体器件的开发越来越活跃，高性能、超小型封装产品正在加速形成商品化。

　　双极型晶体管正由GTO(可关断晶闸管)向BJT(Bipolar Junction Transistor，双极结型晶体管)等高速、低损耗化方向发展。目前将开关损耗降至最小、活用低饱和电压特点的超高速、高耐压的产品正在开发中。

　　FET由结型FET转向高速、高性能的MOSFET和SIT(Static Induction Transistor，静电感应晶体管)。电源(开关电源或DC-DC转换器)中一般使用的是N沟道的MOS-FET。最近700V高耐压的产品也在开发中。另外，低电压的功率MOSFET在N沟道的基础上，又开发出了P沟道的MOSFET。
以往，电源中大量使用晶体管(也称为功率器件)。但近年来，因MOSFET的优越频率特性，不仅开关速度快，而且因为没有二次压降、电路结构简单、种类逐渐增多、小型化等因素，价格也越来越便宜，逐渐得到广泛应用。现在存在的课题是降低导通电阻和提高开关速度。此导通电阻是功率MOSFET工作时的电阻，它是左右功率MOSFET性能的最重要的参数。因此为达到低消耗电流，各公司正尽力改善工艺以降低导通电阻。现在，这个问题基本上得到了解决。移动设备用的功率MOS-FET因用于各种携带式设备中，所以较多采用SOP(小型离线封装)或TSOP(Thin SOP)等薄型、超小型封装，近年来新的超小型封装形式如VSON(Very thin Small Outline Non-leaded Package极小极薄型无引线封装)和CMFPAK备(Compact Mini Flat Package，微小型扁平封装)等也陆续面市。这些封装形式与TSOP相比，芯片与基板的实装面积减少了一半。

　　整流用二极管用于开关电源的第二级。这种整流二极管又分为PN接合型高速二极管(Fast Recovery Diode)和肖特基势垒二极管(Schottky Barrier Diode)。SBD是利用硅与势垒金属的肖特基结合形成的二极管，具有良好的高频特性，但高耐压是它的缺陷。现在，主要使用的是40～90V耐压的SBD。最近，因各种设备逐步趋向低压化，利用低导通电阻的功率MOSFET的第二级同步整流方式渐渐取代了整流二极管。

　　另外，作为电源控制用IC，需要具有低功耗、可高频控制、能在高温环境下工作的特性。最近据说有利用软开关技术开发专用IC的动向。而且，通过采用智能型功率器件以求减少元件数，并使高耐压功率MOSFET与CMOS控制电路在一个芯片内实现，所有这些都有利于减少器件的数量，提高其可靠性。

　　DC-DC转换器IC是将直流升压、降压以在电路板上改变电源电压。最近的半导体器件中混合着不同工作电压的部件，所以搭载数个DC-DC转换器的情况较多。

　　由于通信领域正在向宽带化、高速化(大容量高速通信)发展，因此要求该领域的DC-DC转换器具有大功率、大电流、小型/薄型、高效率、高可靠性、低噪音以及高速应答等特性。这些DC-DC转换器大致可分为以下两种方式，即使用散热片、输出功率达数十瓦～数百瓦的功率模块方式和单体使用、输出功率数瓦～数十瓦的插件方式。

　　DC-DC转换器利用共振或部分共振的软开关技术使开关频率达到高频化，利用有源箝位电路技术和正反馈技术等实现小型、高功率、低噪声化，各电源生产厂家正开发独特的电路方式以区别于其他公司的同类产品。特别是近年来信息处理的高速、大容量化促使CPU向低电压、大电流以及高频化发展，此类技术正受到业界关注。

　　对应低电压、大电流，各电源生产厂家将整流元件由以往的二极管替换为FET以降低二极管的正向电能损失，同时利用同步整流技术开发出输出电压达1.2V的低电压产品，并逐步实现商品化。另外，作为解决大电流的手段之一，采用将DC-DC转换器并联、利用电流均分控制电路技术的产品正在开发中，逐步向商品化转化。

　　此外，当CPU工作频率超过1GHz以上时，因DC-DC转换器的应答迟缓，从而限制了CPU的能力。为解决这个问题，开发出了多相变换器技术。即将数个DC-DC转换器并列工作，并错开各自的相位，使其同步工作以改善高速应答性能，与前述的电流均分控制技术相结合，就可以得到满足性能要求的DC-DC转换器。现在，通过多相变换器技术使工作频率达到1MHz的DC-DC转换器也正在实现商品化。

　　在电路开发之外，器件的开发也在加快速度。象FET的高速开关、低导通电阻化，各种电路结构专用的控制IC正接连不断的开发出来，并实现商品化，从而加速了DC-DC转换器向大功率、小型/薄型、高效率化方向的发展。

　　稳压IC是对应电压的波动、始终向电子设备各个模块提供稳定电压的器件。最近笔记本电脑在追求大电流电源的同时，由于I/O电压差的减小，LDO(Low Dropout，低漏失)型稳压IC的需求逐渐增多。

　　电池备用IC是在电源瞬间掉电时，监护系统内的数据，完成向电池切换的器件。电流读出放大器监视着电池的充放电并把该数据送至CPU，管理电池的余量等。复位IC用于监视电源，内藏有比较器和基准电压，在系统电源开、关及瞬间掉电时进行初始化，防止系统的失控。运算放大器是用于增幅的IC。

　　锂离子电池保护用IC用于控制锂离子电池的充放电。在使用锂离子电池的场合，过充电会造成电池内部压力上升，引起电池的破坏或金属锂的沉淀，产生发热的危险。另外，若电池电量完全用尽还会造成电池无法再使用，因此必须在电池余量变为“0”之前停止放电。锂离子电池保护用IC就是用于这些目的的IC。该IC具有的功能就是检测出过充电、过放电、过电流等。

　　到目前为止，电源用半导体器件更多的是采用双极型的产品，随着低功耗的需求的迫切，CMOS型产品正在逐渐增多。

变压器及扼流圈

　　开关电源的变压器是在高频特性优良的铁氧体磁心上缠绕线圈而得到的。随着变压器的小型化、薄型化的要求，需要有更高性能的磁心。

　　近年来，由于采用计算机进行材料的技术分析，可以选择出满足产品规格的变压器磁心材料，并通过仿真确定磁心的最佳形状。

　　另外，线圈材料也变为扁线以减少线圈损耗、变为锡箔状的迭层构造以实现薄型化。采用薄膜线圈(sheet coil)、框架线圈(frame coil)的变压器也在开发中。低噪声方面，将绕线管分割为多段构造从而降低噪声。装配于电路板上的变压器更多采用的是SMD(表面贴装元器件)技术。

　　有一种利用压电现象做成的压电变压器。这种变压器可以实现高效率、小型/薄型化，所以多用于笔记本电脑的液晶背光用倒相器。作为安全对策，正在开发强化绝缘、无烟、无火花的难燃密闭型的变压器。

　　扼流圈与变压器一样、也是铁氧体磁心缠绕上线圈而得到的。但变压器有多个端子，而扼流圈只有两个端子。因其以手机和笔记本电脑为目标，所以要求具有小型、薄型化的特点。因此磁心多使用高饱和磁通密度、低漏磁通的材料。另外，为解决噪声的共模方式扼流圈及对应高次谐波的扼流圈的开发也十分活跃，同时有些公司也正在开发混合型扼流圈，谋求可以同时解决噪声和高次谐波的问题。

电容

　　电容是决定电源寿命的重要元件之一，所以近年来其寿命及耐热特性得到很大关注。电源中使用最多的是铝电解电容，现正在开发电源输入电路用的105℃、保证寿命8000小时的电容。另外，输入滤波的高脉动化电容、对应异常应力的安全电容等也在开发中。同时也在改善二次滤波的高频低阻抗及低等价直流电阻ESR(Equipment Series Resistance)等特性。

　　为适应电子设备的日益小型/薄型化，也采用SMD技术。然而对于铝电解电容来说，因为它的容量与体积的依存性很大，所以在小型化上存在极限，进而产生了采用横向配置、改变形状等方法，并设法开发超低高度(3.95mm)的直立型电容。此外，最近各公司正在开发使用高分子或固体电解质的无电解液的电容，并即将形成商品化。

　　取代次级用铝电解电容及小容量的DC-DC转换器的输入级电容的是迭层陶瓷电容。迭层陶瓷电容是通过低温烧结形成均一粒子的陶瓷薄层化技术得到的大容量电容。以前电容电极使用贵金属钯(palladium)，所以价格昂贵，最近通过采用镍电极降低了成本，从而价格越来越便宜。另外，容量达100mF的大容量品种也陆续面市，中高耐压的产品也在开发中。迭层陶瓷电容是以SMD形式设计的小型品，在电源的小型化、长寿命方面，起到了关键作用。最近1005(1.0×0.5mm)大小的1mF电容也在开发中。

　　作为取代二次滤波用铝电解电容的钽电容，采用的也是SMD形式。小型、容量大是它的特点。最近通过充分发挥钽粉的高CV(卡路里值)性能的产品也在开发中，1.6×0.85×0.8mm大小即可得到10mF的大容量电容。此外，人们也关注着低ESR、高容许脉动的大容量高分子钽电容的开发。

热敏电阻

　　开关电源由于其高效率、小型化的优点而成为电子设备的主流电源。但另一方面，因高频化、小型化的要求，使得解决开关电源的发热问题变得越来越重要，另外，异常时的过电流和大容量的滤波电容的冲击电流问题也必须得到解决。现介绍一下用于此方面的PTC(正温度系数)热敏电阻、NTC(负温度系数)热敏电阻。

·过热检测用PTC热敏电阻

　　高密度、高输出的开关电源对于发热问题的考虑十分重要。通常，采用放置用于散热的元件或散热片、强制气冷风扇等方法，但即使这样，因使用状况的不同，也会发生超过容许温度值以上的情况。这时就需要使用温度检测元件，当到达异常温度时，强制抑制其输出。

　　PTC热敏电阻具有正的电阻温度特性，对于想检测的过热温度具有很好的敏感度。因此，以PTC热敏电阻作为温度传感器，简单的电路结构就可以实现过热保护功能。这样，就能够防止冒烟、放火花等故障，防患于未然。

　　而且，使用PTC热敏电阻保护电路的另一个特点是：解除发热异常的原因后，系统可以回到正常状态进行工作，无需象使用温度保险丝等元件那样必须进行更换。

·过电流检测用PTC热敏电阻

　　通常将电阻值较低的PTC热敏电阻放入电源电路中的话，电压降、功耗都很少，而当有过大的异常电流流过时，因PTC热敏电阻自身的发热使其电阻值迅速增加变为大电阻，从而实现限流的作用。

　　同样，PTC热敏电阻构成的过电流保护电路具有复原的特性，解除发生过电流的原因后即可恢复到原来的电阻值，无需象电流保险丝一样进行更换。另外，因电涌而引起的误动作及故障少是它的另一大特点。

·抑制过冲电流的NTC热敏电阻

　当开关电源启动时，伴随滤波电容的初期充电会产生过冲电流。这种电流可以达到正常动作电流的十倍以上，造成二极管、开关、保险丝等发生故障、变质。为抑制过冲电流，在输入端的滤波电容处串入NTC热敏电阻，因其具有负的电阻温度特性，随着温度的升高电阻值逐渐减小，因此在电源启动初期，它变为大电阻，抑制过冲电流，之后伴随着电流的流过、自身发热(焦耳热)，从而降低自己的电阻值得以限制功耗。
除使用NTC热敏电阻以外，还可以使用固定电阻器来构成过冲电流抑制电路。但这种电路在正常工作状态下功耗很大，对于节省能源很不利。对于这一点，可以在固定电阻器上并联电磁继电器或三端双向可控硅等开关元件，当电源进入正常工作状态后将此开关接通，则可限制正常工作状态的功耗，但这种作法将导致元件数增多，另外还需要开关元件的驱动电路，这又成为一个问题。
从以上观点可以看出，NTC热敏电阻是最适合节省能源的抑制过冲电流的元件。

今后的课题

　　伴随着开关电源的小型化、高效率化的发展，对PTC热敏电阻的小型化、高精度、低电阻的要求自不必说，对抑制过冲电流的NTC热敏电阻的小型化、大容量的要求也十分强烈。现在一些公司正在进行陶瓷材料的开发、重新设计电路结构等工作，以达到客户的需求、提供满足市场需要的产品。■


摘自《电子产品世界》