电源用元器件技术及发展趋势

随着电子设备向小型、高密度发展，电源也要满足小型、重量轻和高效率的要求。今天，效率更高的由高频转换的转换电源及DC-DC变换器已成为主流。同时，电子设备中的IC还需要稳定地供给额定电压，同时功耗及降低待机功耗要求也越来越严格。因此，这样的电源所用的半导体器件及电路元件，都在以提高性能和长寿命为目标进行开发。

电源用半导体器件
用于电源的半导体器件有功率晶体管、整流二极管、电流控制器IC以及稳压IC和复位IC等。功率晶体管过去多用双极晶体管，近年来已广泛使用MOSFET。由于MOSFET的频率特性极佳，可在更高频率下进行转换，能使电源做得更小。此外，移动电话及便携设备的普及，低压MOSFFET用于DC-DC变换器电源也受到重视。整流二极管有高速二极管(FRD)和肖特基势垒二极管(SBD)。最近由于电子设备向低电压发展，用低导通电阻的功率MOSFET代替整流二极管的2次端同步整流方式用得越来越多。
电源控制IC是在低功耗下进行高频控制并能在高温下稳定工作。最近为适应转换(部分谐振变换器)，还有开发专用IC的趋势。而稳压器IC则是对电子设备的各个组件供给稳定的电压。笔记本计算机等因CPU的时钟速度不断提高而需要大电流电源，而且由于器件内部的细微化和低电压，输入输出电压差缩小，增大了LDO(Low Drop Out ，低压降)稳压器的需求。
复位IC技术
近年来，所有的电气设备都采用了微控制器或DSP等数字电路。在这种设备中，当电源接通或断开时，必须对微控制器或DSP复位来防止系统的误动作。此外，电池驱动的便携设备中，电源开、关时，也有必要对监视其电源电压的系统进行复位控制。因此，作为一种实现高可靠性工作的重要器件，出现了各种复位IC方案。这里介绍日本ROHM公司采用CMOS高阻抗工艺技术(低功耗化)、修整技术(检测电压高精度化)、超小型封装技术(缩小安装面积)等开发的复位IC。它们具有以下特点：
检测电压精度高：采用激光修整(Laser Trimming)技术，比以往±2%的精度提高0.5%，实现业界最高±1.5%的精度。该精度可确保实现要求高精度的复杂系统的复位动作。
超低功耗：超低功耗复位IC不能无谓浪费功耗，使用消耗电流少的耗尽型MOS和对电压检测电阻独创的高阻抗工艺，实现了超低消耗电流(典型值0.8mA)。
小型封装：复位IC应当尽可能紧挨着微控制器、DSP等外接电源电压的端子，就需要实际小型封装，而且随着设备向薄型发展，不仅安装面积缩小，元件的高度也必须考虑。为此，除小型封装SMP5C2外，还开发了超小型EMP5封装(含引线在内面积1.6×1.6mm=2.56mm2,高为0.6mm)。与SMP5相比，安装面积减少约70%，高度降低50%以上(图1)。

图1 外形尺寸图

图2-a  输入/输出电压对称图  图2-b  BD45XXXG, BD46XXXG框图


图3 直流重叠特性比较


图4 推荐驱动回路


消除外接电容：在复位IC中，设定延迟时间通常有以下三种方法：(1)在开放的漏极输出端接电容，由CR时间常数来设定；(2)在带外接电容延迟功能的复位IC中，在专用端子(CT端子)接电容，由其时间常数来设定；(3)设定IC内部振荡器及计数器的延迟时间。其中(1)和(2)均需外接电容，增加了元件数量，(3)则无外接电容而具延迟功能(见图2)。当输入电压超过检测电压时内部振荡器开始工作，由内部计数器对振荡器信号计数，当达到所设定的规定时间，输出便从L切换为H(改变计数可设定延迟时间)。一但输出切换，振荡器便同时停振。这样，产生延迟时间的振荡器在需要时间之外不工作，实现了低功耗。

变压器与线圈
用于电源变换器中的变压器采用了高频特性极佳的铁氧体磁心。为了变压器的小且薄，要求高性能的磁心材料和最佳的形状，近年来已利用计算机的材料分析及模拟来制造满足规格要求的变压器。而且绕线材料从圆线变成了方线来降低绕线损耗。还开发了采用薄型线圈或定心线圈的变压器。为进一步降低噪声，还在开发采用多线圈架结构的变压器。
扼流圈同样是把线绕在铁氧体磁心上。用于移动设备中DC-DC变换器的扼流圈因要求小、薄，磁心材料使用了高饱和磁感应密度且低漏泄磁通制品。电源中，还使用了对付噪声的通用型扼流圈和对付谐波的扼流圈。
高效率小型扼流圈技术
用于低电压大电流降压电路中的扼流圈有大电流流过，其损耗导致发热，因此，扼流圈必须适应大电流，而且还要求低功耗和小尺寸。NEC公司继推出采用金属粉心的大电流扼流圈C.PI系列后，又开发了适合高效率、电源损耗更低的R.PI系列和尤其针对小型要求的磁偏置扼流圈MB.PI系列，并已商品化。
R.PI系列采用了在高频领域损耗低的Mn-Zn铁氧体磁心，在500kHz~1MHz频段中实现了高效率化。R.PI的磁心损耗在500kHz时，只为C.PI的1/5，在1MHz时也低于1/2。电源负载效率特性在500kHz时最大提高4%。图3示出两者的直接叠加特性，R.PI系列因铁氧体磁心饱和，电感值急剧下降。两种产品形状相似，安装面积均为10×10mm2，直流电阻亦大体相同，均采用方形线线圈，但R.PI因采用Mn-Zn铁氧体，故用树脂底座来确保安装绝缘。
作为更加小型化和降低直流电阻的有效方式，MB.PI系列采用了磁偏置技术。在磁心的气隙间安置永磁铁(即偏置磁体)，它移动磁心的工作点，而把磁通密度扩大到过去未使用过的领域(第3象限)，此时偏置磁体产生的磁通将与磁心产生的磁通相消。这种磁编置方式对扩大扼流圈的使用电流范围、设定高的电感值或因磁心小型、重量轻而减少直流电阻均有作用，对扼流圈的提高密度效果极大。偏置磁体采用了极难消磁的材料，开发此种扼流圈还为降低因使用偏置磁体致使损耗增大而采取了许多措施。
MB.PI系列的铁氧体磁心材料及产品结构大体与R.PI相同，直充叠加特性及直流电阻大致相当，但安装面积从10×10mm2降为7.5×7.5mm2，减小44%的尺寸。

电源用电容
电容的寿命及耐热性近来受到重视，在用得最多的铅电解电容中，用于输入电路的已开发了保证105℃和20000小时的产品；对输入平滑之用还开发了适应高波纹化及异常能力的安全电容；对2次平滑正积极改进高频低阻抗和低ESR(等价串联电阻)等特性。此外，各公司还已开发无线电解液电容，并在产品化。
另一方面，代替电源2次端用铝电解电容及在输入端采用小容量DC-DC变换器，多采用积层陶瓷电容，它对电源的小型、长寿命化贡献颇大。迄今，因电极采用贵金属而价格昂贵，而低价金属电极的采用使价格也降下来了。
超低阻抗铝电解电容技术
近年来，在微机及高功能游戏机等数码机器以及电源转换器中，对低|Ζ|电容的要求越来越强烈。以下介绍日本Rubycon公司的有关技术。
铝电解电容用得最广的电解液溶剂是有40多年历史的乙基乙二醇，到1984年时，g-t基内脂(GBL)为主溶剂的电解液已用于低压铝电解电容，其低温特性(-55℃)优越，电传导性也好，已成为低|Ζ|电容电解液的主流。但与其它电容相比，|Ζ|仍大且寿命难以改善。为了改善|Ζ|，代替电解液，开发了用高导电的电荷移动结合物(TCNQ盐)及导电性高分子等固体电解质的铝固体电解电容，其|Ζ|极低，并具有近乎于薄膜电容的优良电特性。但这类电解电容的材料价格昂贵，加之制造工艺复杂，故价格甚高。
以水为溶剂的电解液可得到极高的导电性(低的比电阻)，但有电解液的蒸气压增高，在高温下电容不稳定或内部产生化学反应(水化反应)而在短时间内引起急剧的特性变化的麻烦问题。该公司开发了以水为主溶剂加上有机溶剂为副溶剂的电解液，试验表明，在105℃下至干涸需时9000~10000小时，且长时间特性极为稳定，而在85℃下能保持超过24000小时的稳定特性。
该公司开发的超低阻抗电容因采用高导电性的水系电解液，|Ζ|比过去产品大为降低。在100KHz下，ZL系列比过去的JXA减小约1/2，而最新的MCZ降低到约1/4，几近于导电性高分子型。过去产品RZV的波纹噪声为730mV，而低|Ζ|的ZAV为120mV，有约6倍的去噪声能力。

微型电源组件mPM系列
该产品装入转换电源电路变压器旁边，外接几个元件便能做成电源电路。只要输入端接到整流及平滑电路，输出端接到平滑电容、LC滤波器和检测电阻(如图4)，无需用户设计便能方便地做成电源，并满足小型化、节能和安全性的要求。
由日本TAMURA公司采用独创的塑模技术及特殊构造实现的高密度小型电源组件，有以下三个优点：(1)电源电路节省空间。把转换电源的主要部分装在变压器下面不同的空处，焊上即可，可减小电源的安装面积；(2)控制电路因采用间歇振荡，能降低轻负荷时的功耗；(3)采用特殊构造，确保高可靠性。(4)既小型又绝缘性极佳，能适合各种安全规格。
通常，转换电源的设计、评价需要较长时间，而采用mPM系列这类电源组件，将缩短电源的设计周期和评价时间，这是其一大优势。mPM系列的用途包括电视、音响等的待机电源，空调、空气净化机等家电的内部电源，通信设备电源，工业设备的遥控电源等。