Yeni nesil gücün özü: yarı iletkenler ve redresörlerde yeni trendler
Konferans önerisi
Kaynak: eettaiwan
Akıllı telefonların mevcut gelişme trendi esas olarak daha büyük ekran boyutlarına, daha yüksek ekran çözünürlüklerine ve daha hızlı işlemcilere dayanmaktadır.Ancak, sürekli artan donanım özellikleri, 2K ile daha fazla güç tüketmelerine neden olmuştur. Ekran için güç tüketimi 1.080P ekranın 1.5 katından fazla, bu da kaçınılmaz olarak lityum pilin enerji yoğunluğunu artıracak ve cep telefonunun pil ömrünü uzatmak için şarj hızını artıracak.
Bu nedenle, cep telefonlarının ince ve hafif görünümlü pazar talebini karşılamak için cep telefonu üreticileri 3.000-4.000 mAh pil kapasitesi tasarımını ana akım olarak benimsemiş ve bu nedenle şarj süresini kısaltan hızlı şarj teknolojileri ortaya çıkmıştır. Şu anda, piyasadaki ana hızlı şarj çözümleri arasında Qualcomm'un Hızlı Şarjı, MediaTek'in Pompa Ekspresi ve OPPO VOOC yer alıyor.
Piyasadaki ana hızlı şarj çözümleri
Qualcomm, şarj süresini kısaltmak için şarj voltajını iyileştirir.En eski QC 1.05V / 2A (maksimum güç 10W) şarj spesifikasyonundan ve 5V / 9V / 12V / 20V dört şarj voltajı ile uyumlu QC 2.0 ve maksimum 3A şarj akımı (maksimum güç 18W) ), QC 3.0'a kadar, çalışma voltajının 3.6V ile 20V (maksimum güç 22W) arasında dinamik olarak ayarlanmasını destekler, bu da geleneksel 5V / 1A şarj teknolojisinden 4 kat daha hızlıdır.
MediaTek, Qualcomm'un Hızlı Şarjına benzer.Sabit akım kullanır ve daha fazla şarj gücü elde etmek için şarj voltajını 5 ~ 20V'a çıkarır.En son Pump Express 3.0, 2.500 mAh'lik bir pili 20 dakikada% 0'dan% 70'e kadar şarj edebildiğini iddia ediyor. , Geleneksel 5V / 1A şarj teknolojisinden 5 kat daha hızlı. OPPO, hızlı şarj elde etmek için 5V'luk bir şarj voltajını koruyor ve şarj akımını maksimum 5A'ya çıkarıyor.3000mAh'lik bir pilin sadece 5 dakikada% 48'e kadar şarj edilebileceğini iddia ediyor.
İster şarj voltajını, ister şarj akımını artırmak olsun, cep telefonu veya dizüstü bilgisayar gibi 3C ürünlerinin şarj süresini kısaltmak için her hızlı şarj teknolojisinin özü, şarj cihazının gücünü ilk günlerde 5W'tan 22W'a ve hatta ileride artırmaktır. USB Güç Dağıtımı şarj protokolü, şarj süresini büyük ölçüde kısaltan 100W'a (20V / 5A) kadar bir güce sahiptir.Bu nedenle, gelecekte yüksek güçlü şarj cihazlarına olan talebin artması beklenmektedir. Güç kaynağının gücü arttıkça, piller kaçınılmaz olarak büyüyecek ve ağırlaşacaktır.Bu nedenle endüstri, yarı iletken yapıların ve ambalajların araştırılması ve iyileştirilmesi için çok fazla çaba harcamaya devam etmektedir.
Galyum Nitrür Yarı İletken
Son yıllarda, metal oksit yarı iletken alan etkili transistörler (MOSFET'ler), alan etkili transistörlerden (FET), çift kutuplu bağlantı transistörlerinden (BJT), MOSFET'lerden yalıtımlı geçit bipolar transistörlerine kadar anahtarlama güç kaynaklarının ana güç bileşenleri haline geldi. (IGBT), galyum nitrür (GaN) ortaya çıktı, bu da anahtarlama güç kaynağının hacmini büyük ölçüde azaltabilir.
Örneğin Navitas, piyasadaki mevcut silikon (Si) tabanlı güç bileşenleriyle karşılaştırılan GaN transistörlerini kullanan en küçük 65W USB-PD (Tip-C) güç dönüştürücü referans tasarımı NVE028A'yı piyasaya sürdü. Adaptörün boyutu, AllGaN güç IC tabanlı Navitas 65W adaptör sadece 45cc (2,7 inç 3) boyutunda ve oldukça ince ve mini olan yaklaşık 60 g ağırlığındadır.
Silikon güç bileşenlerinin mevcut anahtarlamalı güç kaynağından, darbe genişlik modülasyonu (PWM) anahtarlama frekansını artırmak güç kaynağının boyutunu azaltabilir, ancak kayıptaki artışla dönüştürme verimliliğini düşürür ve elektromanyetik girişimdeki (EMI) artış daha fazla yatırım gerektirir. Pek çok EMI karşı önlemi vardır, bu nedenle endüstri bir uzlaşma seçeneği olarak 65kHz kullanır.
GaN, hızlı anahtarlama hızı, düşük iletim kaybı ve yüksek güç yoğunluğu gibi avantajlara sahip olmasına rağmen, kullanıcılar devredeki MOSFET'i doğrudan GaN FET ile değiştirirler ve sonuçlar çoğu zaman beklentileri karşılamaz, çünkü GaN tasarım merkezi olmalıdır. GaN'in avantajlarından yalnızca devre mimarisi ve kontrol yöntemini seçerek tam olarak yararlanılabilir. Navitas AllGaN güç IC'leri, GaN FET'leri, IC'leri, sürücü devrelerini ve mantık devrelerini yüksek yoğunlukta entegre ederek karmaşık devre tasarımını basitleştirerek tasarımcıların özelliklerini kolayca uygulamalarına ve geliştirmelerine olanak tanır.
Silisyum karbür yarı iletken
GaN'ye ek olarak, silisyum karbür (SiC) şu anda daha olgun bir geniş bant boşluklu (WBG) yarı iletken malzemedir.Yeni nesil güç kaynaklarında önemli bir rol oynar.Geleneksel silikon yarı iletkenlerle karşılaştırıldığında, daha yüksek frekanslara, voltajlara ve Şiddetli sıcaklık ortamında düşük kayıp ve yüksek verim elde edilebilir. Çevrenin korunmasına yönelik küresel vurgu ve elektronik ürünlerin verimlilik gereksinimlerinin artmasıyla, GaN ve SiC, dünya çapındaki ülkelerde yarı iletken endüstrisindeki araştırmaların odak noktası haline geldi.
Silikon bazlı IGBT'ler genellikle 20kHz'nin altındaki frekanslarda çalışır.Malzeme özellikleri nedeniyle, yüksek voltaj ve yüksek frekanslı silikon güç bileşenlerinin gerçekleştirilmesi zordur.Silikon karbür MOSFET'ler yalnızca 600 ~ 10kV çalışma voltajı aralığı için uygun değildir, aynı zamanda mükemmel anahtarlama özelliklerine de sahiptir. Daha düşük anahtarlama kaybı ve daha yüksek çalışma frekansı elde edin Örneğin, 20kHz SiC MOSFET kaybı 3kHz Si IGBT'nin yarısı kadar düşük olabilir, 50A SiC 150A Si IGBT'nin yerini alabilir ve SiC MOSFET'in ters şarj Qrr'si aynı özelliklere sahiptir. Si MOSFET'in% 5'i, silisyum karbürün geleneksel silikonun kıyaslayamayacağı mükemmel özelliklere sahip olduğunu göstermektedir.
Ek olarak, silisyum karbür Schottky diyot (SiC SBD) açısından ideal ters geri kazanım özelliklerine sahiptir.Diyot ileri önyargıdan ters önyargıya döndüğünde, SiC SBD'nin son derece küçük ters geri kazanım akımı şu şekilde çalışabilir: Frekans ne kadar yüksek olursa, aynı frekansta verim o kadar yüksek elde edilebilir. Ve SiC SBD, pozitif sıcaklık katsayısı özelliğine sahiptir Bileşenin sıcaklığı yükseldiğinde, ileri voltaj VF de artacaktır.Bu özellik, paralel olarak kullanıldığında bileşenin ısıl kaçışını önleyebilir. Daha yüksek çalışma sıcaklığı ve bileşen yüksek sıcaklık güvenilirliği, bu nedenle güç kaynaklarının anahtarlanmasında güç faktörü düzeltme (PFC) devrelerinde yaygın olarak kullanılır.PFC devreleri, endüktans bileşenlerinin boyutunu azaltabilen 300 kHz'in üzerinde çalışır ve aynı çalışma verimliliğini korumak için SiC SBD kullanır .
Si güç cihazlarının nispeten olgunlaşmasıyla birlikte, GaN ve SiC güç cihazlarının karakteristik avantajları olmasına rağmen, geliştirme maliyetleri imalat süreçleri açısından hala nispeten yüksektir, bu nedenle, GaN ve SiC güç cihazlarının uygulanması henüz sağlanamamıştır. Gerçek popülerlik.
SMD köprü doğrultucunun avantajları
Küçük boyutlu, yüksek güçlü adaptörlerin ve hızlı şarj cihazlarının gelecekteki gelişimine yanıt olarak, yukarıda bahsedilen galyum nitrür ve silisyum karbür yarı iletkenlerin sürekli geliştirilmesine ek olarak, mevcut silikon güç bileşenleri söz konusu olduğunda, güç girişi ucundaki köprü doğrultucu kullanır Tam dalga düzeltme işlevi, şarj cihazlarının ve güç adaptörlerinin AC giriş terminallerinde kullanılır ve paket formu kademeli olarak daha büyük bir eklenti tipinden hafif, ince, kısa ve küçük bir çip paketine dönüşmüştür.
Örneğin, Zowie'nin 4A köprü doğrultucu Z4GP40MH, bileşen kalınlığını geleneksel KBP eklenti paketinde 3,5 mm'den 1,3 mm'ye düşürmek için SuperChip çip diyot paketleme teknolojisini kullanır ve bileşen boyutu da 8,1 x 10,5 mm'ye düşürülür , Hacim, KBP eklenti paketinin yalnızca% 17,5'i kadardır, bu yalnızca bileşen boyutunu küçültmek ve yerden tasarruf etmekle kalmaz, aynı zamanda yükseklik kısıtlamaları olan özel uygulamaların gereksinimlerini de karşılar.
ON Semiconductorın 42W tasarımı, Texas Instrumentsın 45W ve Navitas 65W tasarımlarının aşağıdaki örnek fotoğraflarından, güç adaptörünün boyutunun küçülmeye devam ettiğini ve hepsinin SMD köprüleri kullandığını görebiliriz. Doğrultucu (mavi çerçeve ile işaretlenmiştir).
Şekil 1: Semiconductorın 42W, TI 45W ve Navitas 65W şarj cihazı tasarımlarında (soldan sağa)
SMD köprü doğrultucu SuperChip çip diyot paketleme teknolojisini benimser.SMD diyotuna ek olarak, iç yapı endüstrinin Tel Bağlama işleminden farklıdır ve şekilde gösterildiği gibi Lehim Bağlama işlemini kullanır 2'nin yapı diyagramı, diyot kalıbı üst ve alt bakır kabloya kaynaklanır ve bakır kablo, elemanın pozitif ve negatif terminallerine bağlanır.Diyot kalıbının ürettiği ısı, bakır kablo ile terminale iletilebilir ve ısı yayma kapasitesi, tel bağlama yapısınınkinden daha iyidir. Uygulama sırasında bileşen sıcaklığı.
Şekil 2: Kaynak işlemi kullanılarak SuperChip yapısının şematik diyagramı
SMD köprü doğrultucuda kullanılan çip de kritiktir.Diyotun PN bağlantısı, ters kaçak akımı azaltmak için camla kapatılır.Tam yüzlü cam kılıf (GPRC) teknolojisi, doğrultucu diyotun PN birleşimini yüksek sıcaklık kaçağı ile tamamen kapatır. Düşük akım özellikleri.
Şekil 3: GPRC ve endüstri GPP kalıbının şematik diyagramı
Şekil 4'teki yüksek sıcaklık ters kaçak akım karakteristik eğrisinde gösterildiği gibi, 150 ° C'lik bir ortam sıcaklığında ölçülen GPRC çipinin yüksek sıcaklık kaçak akımı, yaklaşık 50uA'dır ve bu, yaklaşık 100uA olan 125 ° C'de GPP'nin yüksek sıcaklık kaçak akımından daha düşüktür.Ürün, daha yüksek bir çip çalışma sıcaklığına sahiptir Tj (Tj = 175 maks.) Ve daha iyi ürün güvenilirliği.
Şekil 4: GPRC çipinin VR-IR eğrisi
Sonuç
Akıllı telefonlar ve dizüstü bilgisayarlar hafiflik, incelik ve güzellik peşinde koşarken, pil ömürlerini de hesaba katmalıdırlar.Pil teknolojisindeki yeni nesil büyük atılımlardan önce, pazar trendi artık küçük boyutlu yüksek güçlü adaptörlerin ve hızlı şarj cihazlarının geliştirilmesine doğru olmuştur. , Tüketicinin alışkanlıklarını karşılamak için şarj süresini kısaltmaya devam edin.
Hızlı şarj açısından, çeşitli cep telefonu üreticilerinin işbirliği yaptığı hızlı şarj kampları, sürekli olarak daha hızlı şarj protokolleri ve donanım teknolojileri nesillerini geliştirmiştir.Yeni telefonlar, hızlı şarjın penetrasyon oranını büyük ölçüde artıran orijinal hızlı şarj aksesuarları ile donatılmıştır.Gelecekte beklenmektedir. Mükemmel özelliklere sahip galyum nitrür ve silisyum karbür gibi güç bileşenlerinin ortaya çıkışı ve küçük boyutlu SMD köprü redresörlerinin sürekli geliştirilmesi ile birlikte USB Güç Dağıtımı şarj protokolünün birleşik spesifikasyonlarının güç adaptörlerini ve hızlı şarj teknolojisini etkinleştirmesi beklenmektedir. Daha fazla güç, daha hızlı şarj, daha küçük boyut ve daha düşük maliyete doğru ilerlemek.
