電源專輯:電源品質與節能技術

電源晶片∼電源節能與電源品質的關鍵

電子月刊,163期,20092

主編:鄒應嶼

 

主編簡介:

鄒應嶼先生,交通大學電子研究所博士。

現任交通大學電機與控制工程系教授、前瞻電力電子中心主任。

曾任職於工研院電子研究所、美國維琴尼亞理工學院電力電子中心訪問學者、交通大學電機與控制工程研究所所長、工研院、中科院、同步輻射中心顧問、國科會、經濟部、與專利局計畫審查委員、並曾擔任國內多家公司之技術諮詢顧問。

 


專輯前言

    以個人使用為訴求的行動資訊裝置,隨著手機、衛星導航、行動上網、行動影音等裝置的普及,新一代的行動上網裝置將整合更多樣的功能,相對的對於電源管理IC功能的需求也日益提升,新一代行動通訊設備的電源電路設計必須兼具低功耗、低噪音、小體積、可程式化、高穩定、低價格等特點,這些設計要求成為新一代電源設計的挑戰。隨著電源體積的日益縮小,電力電子電源設計技術也必須與微電子IC設計技術整合,電源晶片(power IC)設計不僅需要整合類比電路、功率電路、與數位電路的設計,也必須考慮IC製程技術所帶來的機會與限制,此外,更必須與系統應用充分結合,才能設計出符合市場需求的電源晶片。

    為了迎合電子產品體積日益輕薄短小的趨勢,業者無不積極研發將內部零組件整合的技術,行電話等產品的電源供應設計亦遵循此一趨勢,朝向更高階的晶片整合發展。近年來的電源供應設計和電源管理的發展,已展現電源產業的發展趨勢,例如零件整合度日益增加、利用數位元件來加強或取代傳統類比電路的做法更加普遍,越來越多智慧型功能開始應用於電源系統。此外,也發展出應用於特殊需求的電源晶片半導體製程。這些發展從本質上改變了傳統電源IC的設計方式,電源IC的設計將更為複雜,設計者必須更著重於電源系統設計、電源晶片製程開發、電源晶片封裝、混合電路設計等議題。

    電源晶片是提供電源節能與電源品質的主要關鍵,是能源時代最關鍵的核心晶片,未來將成為應用廣泛,具有龐大商機的產業。各種電子產品都需要電源供應器,現今的電子產品無論是數位電視、個人電腦,或是筆記電腦、行動電話,其內部所與功率轉換相關的積體電路,不僅數量可觀,更扮演著節能的主要角色。一個電子系統的節能技術,或是稱之為低功耗技術可以說是包羅萬象,簡單來說就是如何以最低的功耗達到所需要的目的,以CPU而言,就是要設計出在相同的運算速度下,如何降低功耗;以光源來說,就是要設計發光效率更高的LED;以電源供應器而言,就是要提高其效率,而且是在各種負載狀況下均要提高效率。這些以電源轉換為訴求的電路,例如LED DriverMotorDriverClass-D AmpDC-DC ConverterBattery Charger等等,電源IC均扮演著提高效率的關鍵角色。

    電源訴求的另一個主題就是電源品質,電源品質主要是指電源系統的市電介面必須使用不具電源污染的電源,也就是電源系統所產生的電流諧波必須加以規範。先進國家歷經過去二十餘年來多方的共同努力,電源諧波規範已成為所有家用與商用電器設備的基本要求規範,例如歐規的EN61000-3-2、美規的IEEE 519、日規的JIC C 61000-3-2等等。基本上,一般家用或商用採用市電介面的電器設備,若額定功率高於75W,均需符合特定的電源電流諧波規範,此外,對於照明設備也有特殊的電流諧波規範。功率因數修正技術可以消除電源供應器前端的AC/DC轉換器所產生的低頻電流諧波,降低啟動電流突波,從根本上改善電能的使用效率與降低電源污染,因此PFC技術就是電源品質的保證。

    本專輯以電源節能與電源品質為主題,邀請國內相關研究學者專家,發表他們的研究成果。昇壓型PFC轉換器是目前應用最普遍的非隔離式功因修正電路,可以工作於不連續導通模式、邊界模式、或連續導通模式。隨著電源需求電力的增加,單相昇壓型功因修正電路的功率電路面臨更大的開關應力與損耗,近似並聯的交錯式昇壓型功因修正電路具有分散電流、降低損耗、降低電流漣波、降低高頻電磁干擾等優點,蔡明村、吳俊樺、楊政憲等先生介紹了他們所研製的一個輸出功率達到400W的兩相交錯式升壓型功因修正器。莊博欽、林詠凱、王鼎緒、賴炎生等先生介紹一種既能達到功因修正效果,又可降低待機耗能的交流-直流轉換器的數位控制方法。以開關電感為主的非隔離式DC-DC轉換器,有三種基本電路架構,分別是降壓型、升壓型、與降升壓型。在可攜式裝置中,以電池為核心經常需要各種不同電壓轉換的DC-DC轉換器,如果能共用一個外部電感達到不同電壓轉換的目的,就可以降低零件成本。黃銘信、陳科宏等先生針對此一問題,發展出應用於可攜式裝置統中的單電感雙輸出的電源轉換器,同時具有最小互穩壓效應與最高輕載效率的特色。這些新型的電源轉換控制方法,未來均有機會更進一步的以電源晶片的方式呈現,具體展現出台灣在電源晶片領域的進展。本專輯以『電源晶片∼電源節能與電源品質的關鍵』為主題,希望結合電源系統與電源IC產業,共同促進此一有助於電能節約與電源品質改善技術的發展與應用。

本期特論包含下列主題:


台灣新竹交通大學電力電子系統與晶片實驗室