環顧生活周遭,只要與電力相關、需透過電力運作的裝置,都離不開功率元件與電源管理,可以說電源管理與功率元件充斥在生活當中。雖然功率元件與電源管理並不是那麼容易被使用者所注意,且屬於系統裝置製造商在產品設計時該留心的部分,不過,一旦系統電源管理或功率元件有丁點「小問題」,很可能會導致產品在市場中慘遭滑鐵盧,甚至面臨須賠償使用者的局面。

更何況,現階段許多應用促使電源管理系統朝高功率、高壓邁進,其中會產生的新問題更是接踵而來。因此,電源管理系統與功率元件究竟在高壓應用裝置中扮演何等重要的角色,電子工程專輯《EET》與電子技術設計《EDN》TechTaipei「2017電源管理與功率元件」研討會中,各家廠商與專家,以不同的角度告訴讀者,電源管理與功率元件的重要性與設計時所需注意的重點。

電源架構已然改變

朝更高功率的電源設計已是大勢所趨,不過,高功率電源設計也不斷求新求變,以期能夠更加提升整體功率使用效率。Vicor Power台灣區應用工程師張仁程指出,電源架構的改變包括電壓輸入與輸出範圍更廣、更高的輸出功率、更高功率密度、更小的尺寸、更輕的重量、更佳的散熱效能,以及自動測量電壓電流狀況,如此才能打造有競爭力的電源應用系統。

不僅如此,在市場上越來越獲重視的數位電源系統也有新的轉變。Microchip台灣區總經理李佳哲認為,數位電源是未來電源系統的大勢所趨,相關應用也相當多元,如DC到AC電源、電源逆變器、HID照明、LED照明、太陽能…等,但不可諱言,目前仍是以類比電源為大宗。

若以數位電源發展級別的定義來看(圖1),目前業界發展的級別多為第二與第三層級,可以說是跨入了數位電源的範圍,但仍然未達全數位電源的等級。不過,系統與元件的設計進展,將可協助相關電源系統廠商,朝全數位電源之路邁進。

20171013NT11P1 圖1 數位電源發展級別定義。(資料來源:Microchip)

第三層級的數位電源定義——拓撲控制(Topology Control)仍只是半數位化。李佳哲解釋,半數位電源管理與第四層級全數位電源管理的差別在於運算放大器(OPA),全數位系統則是元件內部沒有運算放大器,可透過元件供應商提供的設計工具,簡單且快速設計數位電源系統。另外,半數位電源需要微控制器(MCU)的協助,且元件本身也就像一顆微控制器,但微控制器與ASIC「誰包誰」,會呈現不同的功能——ASIC內整合微控制器,元件僅能對系統進行微調;微控制器整合ASIC,則能夠在元件內部偵測系統狀況與調整參數,端看系統設計者要達到何種效果與彈性。

上述發展趨勢也問電源管理系統帶來新的挑戰:干擾、重量、尺寸限制、散熱、低壓DC高壓化、功率損耗、高電壓時系統和元件耐受度,以及測試方式與工具…等。所幸,在各家業者的努力下,從電路設計的改變,到晶片材料的演進…使得電源管理架構有更好的效率表現,以及更佳的成本、更簡單的設計。

電路保護設計避免大災難發生

電源管理系統中,不僅要注意電路如何設計,電路的保護也需要花心思,尤其高功率的電源管理設計架構更要強化保護措施。電源系統管理工程師總不希望辛辛苦苦設計出來的電路,隨隨便便就被內在或外來的因素所摧毀,德州儀器(TI)行銷與應用工程師林輝菖表示,電路保護普遍被用在電信設備、資料中心/伺服器、儲存裝置(如HDD、SSD、Midplane)、工業控制、塔式天線,以及商業電力系統。這些系統的電路一旦發生問題,影響範圍相當廣大,因此在電路設計時需要特別注意電路是否會因短路或其他原因而產生火災,不要讓小問題變成大災難,以及防止潛在的電源排線中斷干擾。

不過,總是會有一些常見的設計與測試錯誤,而使得電路發生問題:FET的SOA太小,影響MOSFET可承受的功率、佈局的限制與問題,以及短暫保護不足。林輝菖認為,上述問題若是在電路增加保護元件,即可解決,一般的做法是添加保險絲。然而使用保險絲將面臨保護速度慢、不準確、損耗,和出現無法啟動的負載電路等問題。

為解決問題可選用新的eFuse保護元件。林輝菖指出,eFuse保護元件已內建在熱插拔IC中,比傳統保險絲具備更多優勢,能為工程師的電路提供較佳的保護效果。

減少損耗 功率轉換需提高效率

在電源系統電路設計過程中,由於一般電池或市電輸入電壓與裝置所需的運作電壓有所差距,因此往往需要經過升降壓的過程,或者裝置在開啟與關閉時,需要進一步切換。但電力在升降壓或切換時,多多少少會喪失些電力,因此需要能夠將切換功率提升,才不會造成電力的浪費,並獲得更好的電力使用效率。

Power Integrations技術培訓工程師閻金光舉例說明,要提升反馳式(flyback)功率轉換的效率,就需要具備高效率特性的反馳式切換開關,降低功率損耗,且切換開關本身的耗電也不能過高、可精準監測輸出電壓和電流,並能在負載發生變化時,即時做出反應。再者,若是能夠讓電源設計無須風扇輔助散熱,以及元件採高度整合設計,都能協助設計工程師在電源設計系統設計時,能夠獲得更佳的反馳式功率轉換效率,同時還能簡化設計。

另一方面,高功率、切換式電源設計也能以省去電感達到高功率轉換效率。亞德諾(ADI)旗下凌力爾特(Linear Technology)市場應用工程師陳柔文指出,現階段,48V電壓直接降壓轉換的電源管理設計已開始被採用在伺服器或其他大型裝置上,如此高的電壓通常都需要透過電感進一步降壓及切換,才能達到裝置所需的使用電力,且這個過程也容易發生較大的功率損失。

不過,很大的問題是——要能承受48V高功率的電感,體積相對也比較碩大,很佔電路板空間。此時能在分壓器之外再加上一顆的大功率固定比例充電泵DC/DC控制器,就可在隔離式中間匯流排轉換器中無需另加功率電感,進一步縮小電路尺寸,還能維持較佳的功率轉換效率。

除了從電源系統電路設計著手提升整體功率效率外,電源管理晶片的新設計,也能讓電源管理系統有更好的功率轉換效率。意法半導體(STMicroelectronics)大中華暨南亞區功率元件技術行銷專案經理陳文聰表示,目前800~1500V特高壓的電源管理設計越來越多,功率MOSFET也需要能夠支援如此高電壓的電路設計,因此,電源管理晶片的材料也已發生轉變——由矽(Si)過渡到碳化矽(SiC)與氮化鎵(GaN)。

目前多數電源相關半導體供應商都已經開始研究這些新材料的特性與在電源管理電路中的優劣勢。這些材料與傳統的矽相比,共同的特點是能夠承受較高的電壓、較好的功率轉換、較低的功率損失…等,但缺點是製程成本較高,原因在於這些大多不是傳統的矽。然而,碳化矽可使用傳統的矽製程設備,因此成本相對較低,許多廠商也開始推出碳化矽為基礎的MOSFET,陳文聰認為,碳化矽功率MOSFET結合二極體,即相當適用於1200V的高壓電源管理應用。

蘇州易能微電子(Easepower)創始人吳鈺淳則指出,半導體製程技術持續不斷的演進,如智慧型手機核心處理器即因而受惠,大大提高處理效能,但是智慧型手機整體的效能卻沒法跟著處理器效能的提升而提高,原因在於使用者對智慧型手機的需求越來越高,但電池卻不能無限制地將容量密度加大——限制了智慧型手機功能發展,也突顯電源管理的重要性。

未來個性化與具備差異化的需求會使智慧型手機或其他消費性產品的市場越來越零散且變化多端,若是電源管理系統與晶片每次都要重新設計,對業者而言相當不符成本效益。也因此,「可重構」的設計概念能讓業者在兩週內,以軟體的方式實現電源管理晶片設計,不僅電源晶片設計更簡單,還能兼顧成本,以及搭配業者產品設計所需,定製最符合其產品設計需求的電源晶片。

不可忽視的小兵——二極體

也許你會認為二極體在電源設計架構中僅是顆小小的元件,但二極體在電路設計中扮演著重要的角色,尤其是開關電源相關的設計。德微科技(Eris Technology)市場應用技術顧問伍錦輝舉LED驅動器為例說明二極體如何選擇,功率二極體是LED驅動電源上不可或缺的零件,但許多設計工程師都會忽略二極體零件規格和設計考量,以至於設計好的電路發生失效的問題。

二極體可劃分為幾大類(圖2),設計師應依據不同線路與工作頻率等條件,去選擇合適的二極體。伍錦輝並強調,功率二極體在選擇時最重要的電性考量因素包含耐壓VRRM及VRMS、耐電流IF(順向電流)、最大衝擊電流IFSM、最大逆向電流IR、最大回復時間 trr、最大順向電壓VF、工作溫度Tj、熱阻抗 Rɵjc或 Rɵja,以及可靠度,若是忽略其中一項,都有可能造成應用的電路或是元件失效,因此不可不慎。

20171013NT11P2 圖2 功率二極體分類。(資料來源:德微科技)

PCB佈局也將影響電源系統設計

不僅容易忽略的二極體,在電源供應電路設計中,PCB的佈局,也容易發生錯誤,導致設計好的電路板無法正常運作。Graser產品經理陳志忠指出,眾所周知,元件需要被焊接在PCB上,但在焊接之前工程師需要透過模擬軟體工具,先畫出佈局,但有些細節若是沒注意,畫出來的電路圖佈局,就會出現問題。

舉例來說,工程師在畫線路圖的時候,接錯接腳、用錯電容都不容易被發現;PCB佈局的顯示圖,也不能宣告連接順序,這些錯誤造成的問題很可能道原型都已製作好才會發現,原有的時間與人力成本加上重工的損失,工程師可能會被叮得滿頭包。陳志忠認為,工程師在設計的時候使用較佳的模擬工具,不但可以迅速找到電路圖或PCB佈局上的缺陷,避免造成損失,還能利用模擬工具的特殊功能,如分析EMI…等,進一步確保電路或PCB佈局的可靠性。

散熱至關重要

電源系統朝高電壓發展,雖整體系統效能得以提升,但熱生成也成為越來越令工程師頭痛的問題,一旦產生的熱能太高,不僅系統效能會降低,甚至還會使系統當機、停止運作。漢高(Hankel)大中華區技術服務工程師何柏慶表示,電源管理系統朝高功率發展的同時,如何散熱,就成了新的挑戰,許多無須考量體積的系統會採用散熱片,但許多高功率的應用又相當在乎整體體積大小、功率密度、環境永續、製造過程能否真正全自動化,以及成本。

此時,有效利用一些散熱材料,以提升良率、縮短產品開發時程、提升功率、延長元件壽命、順利微型化,以及避免散熱片造成PCB彎曲…等,對業者而言,相當有助益。

此外,透過封裝技術,也可讓電源管理模組更易於散熱。張仁程指出,為實現更高功率效率、功率密度、設計靈活性,功率模組封裝的技術持續進化,轉換器級封裝(ChiP)技術可最佳化電器和熱效能,減少寄生導致的損耗,還可對整 個封裝均勻徹底地散熱,更可利用頂部和底部表面進行散熱。

測試工具亦得隨市場變化演進

過去,手持式裝置電壓大約是5V或是3.3V降至1~2V,但現在伺服器IC電流高達230A,以至於控制電源的方式越來越困難,工程師在為系統的線性電源或開關電源進行測試時,也將需要有新的思維。是德科技(Keysight)大中華區資深專案經理羅仕林表示,電源管理系統往高功率邁進,意味著測試工具如示波器的頻寬、取樣速率需要提高,才能真實反映訊號的狀況。

另外,有許多資深工程師在傳承經驗時,提到可以去除示波器地線,直接測量,這樣在測試高功率系統時,容易發生危險,且會使示波器損壞。羅仕林認為,要精確測試MOSFET的開關損耗、DS電壓、或是電壓鏈波、EMI…等,示波器與探棒的頻寬要足夠、測試儀器取樣速率最少要大過頻寬四倍以上、地線須越短越好、浮地測量中地的選取,以及被動探棒需校準,才能獲得最佳的測試結果,順利解決電源管理系統中,MOSFET或其他電路的問題。