大比特商务网 |资讯中心 |技术论坛 |解决方案 登录 注册 |数字刊 |招聘/求职
广告
广告
您的位置: 半导体器件应用网 >>行业要闻 >> 行业新闻 >> 新一代电源核心:半导体和整流器新趋势

新一代电源核心:半导体和整流器新趋势

2018-06-21 15:14:24 来源:eettaiwan

【大比特导读】智慧型手机及笔记型电脑持续朝向小尺寸、大功率配接器以及快速充电的开发趋势,不断缩短充电时间以符合消费者的使用习惯。

目前智慧型手机的发展趋势,係以更大的萤幕尺寸、更高的萤幕解析度以及更快的处理器为主,但不断提高的硬体规格,使其耗电量也越来越可观,以2K萤幕来说,耗电量为1,080P萤幕的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,来延长手机使用的续航力。

所以,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,也因此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 VOOC等。

市场主要的快充方案

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)充电规格以及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),到QC 3.0支援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4倍。

联发科与高通的Quick Charge相似,以恆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分鐘内将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分鐘就可将容量3,000mAh的电池充入48%的电量。

为了缩短手机或是笔记型电脑等3C产品的充电时间,无论是提高充电电压,或是充电电流,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,也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,因此业界持续投入许多心力于半导体构造及封装的研究与改良。

氮化镓半导体

近年来,金属氧化物半导体场效电晶体(MOSFET)已经成为切换电源的主要功率元件,从场效电晶体(FET)、双极性接面电晶体(BJT)、MOSFET、到绝缘闸极双极电晶体(IGBT),现在出现了氮化镓(GaN)电晶体,可让切换电源的体积大幅缩小。

例如,纳微半导体(Navitas)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电晶体,相较于市面上现有基于硅(Si)功率元件的配接器尺寸[约98-115cc (6-7in3),重量约300g],Navitas基于AllGaN功率IC的65W配接器体积仅45cc (2.7 in3),重量约60g,相当轻薄迷你。

就目前硅功率元件的切换电源来看,提高脉衝宽度调变(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。

虽然GaN电晶体具有切换速度快、导通损耗低、功率密度高等特性上的优势,但使用者直接将电路中的MOSFET换成GaN FET,其成效往往不符合预期,塬因在于须以GaN电晶体为设计中心,选择电路线路架构及控制方法,才能将GaN电晶体的优势充份发挥。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。

碳化硅半导体

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。

硅基IGBT一般工作于20kHz以下的频率,受到材料特性的限制,高压高频的硅功率元件难以被实现,而碳化硅MOSFET不仅适合600~10kV的工作电压範围,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%,显示碳化硅有传统硅无可相比的优异特性。

另外,在碳化硅萧特基二极体(SiC SBD)方面,它具有理想的反向恢復特性,当二极体由顺偏导通转变为逆偏关闭时,SiC SBD极小的反向恢復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 SBD具有正温度係数的特性,当元件温度上升时,顺向电压VF也随之变大,此特性若于并联使用时,可避免元件发生热失控(thermal runaway)的状况,也因此拥有更高的工作温度,以及元件高温可靠度,因此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,可缩小电感元件尺寸,使用SiC SBD可维持相同的工作效率。

在Si功率元件发展相对成熟的情况下,GaN与SiC功率元件虽具有特性上的优势,但在製程上,其开发成本的花费要求仍较高,也因此GaN与SiC功率元件的应用至今仍未真正的普及。

贴片型桥式整流器的优势

因应未来小尺寸、大功率配接器及快速充电器领域的开发,除了仰赖前述氮化镓和碳化硅半导体的持续发展,就目前的硅功率元件来说,在电源输入端的桥式整流器,用于充电器及电源配接器之交流(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。

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

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设计的範例照片,就可看出电源配接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)。

新一代电源核心:半导体和整流器新趋势

图1:安森美半导体的42W、TI 45W与Navitas 65W充电器设计(由左而右)

贴片型桥式整流器採用SuperChip片型二极体封装技术,除了将二极体贴片型化,内部结构有别于业界的打线接合(Wire Bonding)製程,使用的是焊接(Solder Bonding)製程,如图2的结构示意图,二极体晶粒焊接于上下两铜佈线,铜佈线连接到元件正负两端子,二极体晶粒产生的热,可由铜佈线导到端子,其散热能力较打线结构更佳,降低应用时的元件温度。

新一代电源核心:半导体和整流器新趋势

图2:採用焊接製程的SuperChip结构示意图

贴片型桥式整流器採用的晶片也具备关键性,二极体PN接面以玻璃护封来降低逆向漏电流,全切面玻璃护封(GPRC)技术将整流二极体PN接面完整护封,具有高温漏电流较低的特性。

新一代电源核心:半导体和整流器新趋势

图3:GPRC与业界GPP晶粒示意图

如图4高温逆向漏电流特性曲线所示,GPRC晶片于150℃环温测得高温漏电流约50uA,较GPP于125℃时的高温漏电流约100uA低,产品具有更高的晶片操作温度Tj (Tj=175℃ max.),以及更好的产品可靠度。

新一代电源核心:半导体和整流器新趋势

图4:GPRC晶片的VR-IR曲线

结语

在智慧型手机及笔记型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配接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。

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体技术,新款手机皆已搭配塬厂快充配件,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元件出现,以及小尺寸贴片型桥式整流器持续发展,可望使电源配接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。

本文由大比特资讯收集整理(www.big-bit.com)

  • 赞一个(
    0
    )
  • 踩一下(
    0
    )
分享到:
阅读延展
高通 快充 SiC MOSFET 安森美半导体
  • 美日欧三家独大,中国模拟芯片另辟蹊径

    美日欧三家独大,中国模拟芯片另辟蹊径

    由于PC和智能手机的流行,英特尔、高通和三星等厂商不遗余力的普及,我们都知道了国内在这些数字芯片上与国际先进水平有不小的差距。

  • 国产模拟芯片如何才能突出重围?

    国产模拟芯片如何才能突出重围?

    由于PC和智能手机的流行,英特尔、高通和三星等厂商不遗余力的普及,我们都知道了国内在这些数字芯片上与国际先进水平有不小的差距。但其实除了这些数字芯片外,我们在模拟芯片上面与国际领先厂商的差距更加明显。

  • 高通年底前公布新一轮裁员计划 部分业务外包印度

    高通年底前公布新一轮裁员计划 部分业务外包印度

    在“博通敌意收购高通”失败之后,面对股东对外部并购方的支持,高通管理层走上了一条反思和业务重组的道路。据外媒最新消息,高通内部开始实施新一轮裁员,其中一些工作外包给了印度公司。

  • 中国移动采用高通C-V2X芯片组解决方案

    中国移动采用高通C-V2X芯片组解决方案

    中国移动研究院、中国移动全资子公司中移物联网有限公司和高通子公司Qualcomm Technologies近日正式发布了基于Qualcomm 9150C-V2X芯片组解决方案的全新符合3GPP Release 14 LTE-V2X直接通信的路侧单元。

  • 苹果高通专利纠纷开始二次庭审:iPhone仍有被禁风险

    苹果高通专利纠纷开始二次庭审:iPhone仍有被禁风险

    苹果高通专利纠纷开始二次庭审:iPhone仍有被禁风险。9月18日消息,本周一,美国国际贸易委员会(ITC)在华盛顿特区开始了苹果和高通之间专利权纠纷的第二。

  • 发力5G进展,手机厂商欲做“头号玩家”

    发力5G进展,手机厂商欲做“头号玩家”

    近日爱立信与高通合作,在39GHz频段完成符合3GPP标准的5G数据呼叫,进一步证明5G技术商用已经准备就绪。几乎与此同时,华为在北京怀柔成功打通了基于3GPP R15标准的First Call(数据业务)。毫无疑问,这些事件在5G推进过程中都具有非常重要的意义。

  • 高集成 低功耗 宽电压供电 | 专为PD QC快充方案设计

    高集成 低功耗 宽电压供电 | 专为PD QC快充方案设计

    CRE6959VH驱动IC,高性能、高集成、高性价比。满足新型PD和QC电源设计。

  • 快充爆款选品新增:充电器11款,车充5款,充电宝3款,芯片14款

    快充爆款选品新增:充电器11款,车充5款,充电宝3款,芯片14款

    从各大手机厂商和芯片原厂的布局来看,USB PD快充将成为目前手机、游戏机、笔记本电脑等电子设备的首选充电方案,而USB Type-C也将成为下一个十年电子设备之间电力与数据传输的唯一接口,USB PD快充协议大一统的局面即将到来。

  • 双向Type-C快充:紫米新款10000mAh移动电源上架

    双向Type-C快充:紫米新款10000mAh移动电源上架

    小米移动电源制造商ZMI紫米此前推出了一款10000mAh双向Type-C快充移动电源,之前在小米有品只有白色版本,今天又上架了蓝色和黑色版,而且首发直降10元,售价89元。

  • 第三届智能快充无线充暨智能终端互连技术研讨会成功举办

    第三届智能快充无线充暨智能终端互连技术研讨会成功举办

    6月29日,大比特资讯在深圳龙岗珠江皇冠假日酒店举办第三届智能快充与无线充技术研讨会,以及2018智能终端互连技术研讨会,本次会议吸引了华为、品胜、航嘉驰源、罗马仕、耐尔金、海陆通、贝兰德、比亚迪、天宝电子、奇酷、可立克、维沃、科讯、努比亚、盈聚电源、中惠创智等知名企业的参与。

  • 绿宝石最新电容产品介绍

    绿宝石最新电容产品介绍

    肇庆绿宝石电子科技股份有限公司,场展出多款电容产品。绿宝石公司成立于2004年,是一家集铝电解电容器、固态电容器和超级电容研发、制造和销售为一体的国家火炬计划重点高新技术企业;目前拥有30多项国家专利技术,设有省级工程中心和企业技术中心,拥有德国、美国技术合作团队。

  • 绿宝石面向快充市场推出多种电压段的电容解决方案

    绿宝石面向快充市场推出多种电压段的电容解决方案

    受益快充普及趋势,绿宝石面向目前热门的快充市场推出了多种电压段的电容解决方案,多达30多款产品,满足工程师的选型需求。

微信

第一时间获取电子制造行业新鲜资讯和深度商业分析,请在微信公众账号中搜索“大比特商务网”或者“big-bit”,或用手机扫描左方二维码,即可获得大比特每日精华内容推送和最优搜索体验,并参与活动!

发表评论

  • 最新评论
  • 广告
  • 广告
  • 广告
广告
Copyright Big-Bit © 1999-2016 All Right Reserved 大比特资讯公司 版权所有      未经本网站书面特别授权,请勿转载或建立影像,违者依法追究相关法律责任