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COVID-19衝擊有限 2020年記憶體市場穩定回溫

Yole Developpement近日發表2020年版記憶體產業報告,該報告指出,雖然COVID-19疫情爆發,對手機跟汽車應用需求造成衝擊,但由於各國政府、企業陸續推行封城、遠距上班等社交隔離政策,使得伺服器、個人電腦的需求明顯增加,同時也刺激了伺服器、電腦記憶體的需求。整體來說,2020年記憶體市場規模仍會呈現溫和的成長態勢,DRAM的市場規模將比2019年成長5%;NAND Flash則是因為2019年已經歷過一波修正,即便2020年手機需求不振,NAND Flash的平均銷售價格,仍可望比2019提高6%。  
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支援8K影像傳輸 英特爾發表Thunderbolt 4

日前英特爾(Intel)公開其Thunderbolt 4規格,除了維持Thunderbolt 3的40 Gb/s傳輸速度,並且瞄準高解析度影響的傳輸需求,可以支援兩個4K螢幕或一個8K螢幕的連接,以及各式配件如電源、影音編輯等。此外,英特爾將會推出整合Thunderbolt 4的PC行動處理器Tiger Lake。 圖 Thunderbolt 4以同時外接4K螢幕的影像和資料傳輸。來源:Intel 英特爾今年新推的Thunderbolt 4符合USB 4規格,傳輸速度雖與上一代相同,但是因應高解析度影像傳輸的需求日增,原先Thunderbolt 3只能連接一個4K螢幕,Thunderbolt 4則增加為支援兩個4K螢幕或一個8K螢幕的功能,PCIe速度達到32 Gb/s。Thunderbolt 4具有兩公尺的傳輸能力,因此通用傳輸線可達兩公尺,擴充底座最多可支援4個Thunderbolt 4連接埠。外部配件方面,Thunderbolt 4可支援至少一個PC連接埠充電、睡眠喚醒功能。而透過英特爾VT-d的記憶體存取(DMA)保護功能,有助於防止實體連接的資安攻擊。 同時英特爾發布Thunderbolt 4控制器8000系列,可支援整合Thunderbolt 3的PC與其配件。透過通用的Type-C接口與Thunderbolt 4支援充電、影音編輯、高畫質螢幕等功能,在便利性方面有利於吸引消費市場的青睞。目前Thunderbolt 4的開發套件與認證測試已上市,預計在今年年底,英特爾將發布第一台整合Thunderbolt 4的處理器Tiger Lake。
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技術效能大躍進 Wi-Fi 6超新星蓄勢待發

本文的主要目標是探討未來十年Wi-Fi 6如何憑藉其主要功能、優勢和技術,取代前幾個世代的Wi-Fi。同時也將檢視採用此技術所面臨的挑戰,並針對網路和IT管理員現在該做什麼以充分利用此重大進展提出建議。 此外,本文還將檢視Wi-Fi 6和5G的關係。雖然Wi-Fi如今定義了組織網路的邊緣,且為多數的室內,甚至許多校園和公用環境中全體使用者和應用的首選存取方式,但5G行動數據的出現確實引發一些問題,這對所有的IT和網路管理員都非常重要。也許,Wi-Fi 6和5G之間的合作關係大於競爭關係,本文稍後將針對這一點提出分析。 Wi-Fi技術承先啟後 有鑑於龐大且持續成長的流量,Wi-Fi顯然是主要的室內組織(和住宅)網路連線的選項。此外,它還遍及商業(如零售)環境和許多高人口密度的室外場所。這樣的成果背後是由於IEEE 802.11工作小組持續運用無線和半導體技術的進步不斷提高標準,進而使產品持續提供現今和往後員工生產力不可或缺的成效(表1)。雖然Wi-Fi 6的核心技術很複雜,但每一代Wi-Fi所展現的進步已證明其數十年來部署於全球的價值。 即使Wi-Fi 6延續了長期以來每個新WLAN標準的傳統,也就是提升單一資料串流輸送量—例如,假設是40MHz的通道,單一Wi-Fi 6串流可較前一代標準提高原始輸送量(287vs.200Mbps)達43.5%—這也是Wi-Fi 6轉變為針對特定設施使用者共享存取的關鍵動機,以改善他們的體驗品質(Quality of Experience, QoE),並透過將整體延遲減至最低來達成目的。更高的頻譜效率(每個頻率、時間及空間單位若使用MIMO能成功傳輸更多位元數),以及該頻譜的有效和高效共用是現今達成最佳產能的關鍵。Wi-Fi 6的優勢如圖1所示。 圖1 本測試結果顯示Wi-Fi 6改善產能的能力。不像前幾代,即使流量成長,使用者的輸送量仍然維持不變 Wi-Fi 6關鍵五技術進展滿足當代需求 Wi-Fi 6延續Wi-Fi的悠久傳統,採用非常複雜的無線電和半導體技術,並將其用於低成本、小巧、節能且可靠的元件,適用於廣泛裝置和應用。Wi-Fi 6奠基在802.11n(Wi-Fi 4)首創的技術,在此情況下採用了MIMO和正交分頻多工(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing, OFDM),以及額外的空間串流、多使用者MIMO(Multi-User MIMO, MU-MIMO),和802.11ac(Wi-Fi 5)的波束成形。然而,Wi-Fi...
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瞄準車用前裝市場商機 羅姆攜手勇昇/偉詮推ADAS影像解方

羅姆半導體副總經理周建光表示,羅姆看好車用商機,下一個車用電子發展重點是功率元件,期望滿足車用能源需求,並預計五年內達到50%以上的總營收來自車用電子。此次羅姆與勇昇科技、偉詮電子攜手,推出數位電子後視鏡解決方案E-mirror,從影像技術著手補助駕駛安全。 左起為偉詮電子業務副總莊明冬、羅姆半導體副總經理周建光、羅姆半導體副總經理陳宗鼎、勇昇科技業務部經理柯志信 市售電子後視鏡的功能多延伸自行車記錄器,只能記錄車子前後鏡頭的影像,羅姆半導體副總經理陳宗鼎提及,E-mirror搭載影像顯示控制器、ADAS處理器與三顆鏡頭。透過羅姆的控制器晶片處理影像,能合成三個鏡頭的畫面,並進行畫面校正與快速的解析度處理。羅姆半導體資深工程師俞復中進一步說明,E-mirror的三分割畫面有助於顯示更寬廣的視角,同時使用螢幕顯示(On-Screen Display, OSD)將胎壓、油量等資訊顯示在後視鏡螢幕上,並提供異常示警功能。 陳宗鼎認為,汽車影像是未來趨勢,E-mirror從ADAS的需求切入,做出架構簡單的產品,兼顧平價與快速的特性。勇昇科技業務部經理柯志信說明,有些ADAS系統採用毫米波或雷達偵測路況變化,但是一個不含處理器的雷達就要價台幣1200~1300元,且毫米波誤報的問題也時有所聞。而使用影像解決方案,完整的產品價格大約台幣350~400元,在成本上極具競爭力。 針對E-mirror的安全規範,俞復中解釋,產品符合AEC-Q100標準,其他的法規將依照車廠與不同國家的要求進行認證。現階段美國、日本及歐洲規定電子後視鏡必須在汽車發動兩秒內顯示影像才能符合車規,而E-mirror在車輛啟動後0.5秒即可顯示。柯志信表示,目前E-mirror的銷售已經跟台灣的車廠洽談合作,朝向中高階車款的前裝市場布局,有望成為特定車款的標配。
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關鍵晶圓製程技術再創新 VCSEL光輸出性能更上層樓

通常,與邊射型雷射(EEL)和發光二極管(LED)之類的替代產品相比,VCSEL的優勢在於成本低、光學效率高,以及體積小。VCSEL的優勢還包括在溫度範圍內的波長穩定性,並且可以定向集中以使輸出的效率最高。由於VCSEL是頂部發光(與LED一樣),因此可以在晶圓上對其進行測試、也可以將其與更簡單的光學器件集成並作為晶片安裝在印刷電路板上,或者與雷射、驅動和控制邏輯在同一封裝內集成。其功率輸出雖然小於EEL,但可以通過創建單個VCSEL的陣列而擴充輸出。 手機/汽車應用推動VCSEL需求 現在,許多不同品牌的高階智慧型手機,例如蘋果(Apple),三星,華為,小米和OPPO,都將VCSEL集成於3D傳感應用,用於在正面(屏幕一側)以及/或者面向外界的傳感器之中。此類移動式和消費類應用是VCSEL批量生產的最大驅動力,而汽車和工業市場的需求雖小但也在不斷增長。市場研究人員預測,未來五年,全球VCSEL市場的複合年增長率將為17%至31%。 目前推動大量研究和產品開發的另一項應用是將VCSEL用於光學雷達(LiDAR)技術中,該技術監測相對距離和移動,對於自動駕駛汽車的開發至關重要。LiDAR的工作原理與雷達類似,但是通過發送脈衝光而不是無線電波並來接收周圍的物體的反光。通過反射脈衝回到LiDAR傳感器的時間可以計算出物體的相對距離。與雷達的無線電波波長(~1mm)相比,紫外/可見/紅外光的波長更短(100nm-100~m),就可以檢測更小的物體並獲取更清晰的圖像。 VCSEL在短距離應用中效果很好,例如手機中的人臉識別或汽車中的駕駛員注意力監控。但是,由於VCSEL的輸出功率低於其他IR光源,因此在自動駕駛所需的更長距離的感測中會面臨挑戰。當以較高功率和較低波長的VCSEL進行長距離感測時,也存在着對其在人眼安全方面的擔憂。人眼安全是牽涉諸如功率、發散角、脈衝持續時間、曝光方向和波長等多種因素的複雜組合。通過使用短脈沖調整VCSEL的波長,並優化光學感測,可以實現使用低功耗VCSEL陣列(圖1)的人眼安全的遠距離感測。 圖1 VCSEL 陣列 電漿蝕刻為VCSEL關鍵晶圓製程 VCSEL是藉由分子束磊晶技術(MBE)或金屬有機化學氣相沉積(MOCVD)製程,在基板上沉積出複雜多層結構而成。磊晶層包括產生光子的有源層,該有源層夾在兩個分佈式布拉格鏡面層(DBR)之間,該反射鏡的鏡面將光多次來回反射通過有源區域,以放大信號。每個DBR由多個磊晶反射鏡對(通常超過20對)組成,其中透過每個磊晶層的折射率和厚度的定制,可以引起光建設性干涉,從而產生所需的光波波長。 在製造VCSEL時,可透過創建光圈將電流限制在有源層的微小區域內,這可以通過對某些磊晶層進行選擇性離子佈植或氧化來實現。例如,在基於GaAs的VCSEL的情況下,AlGaAs層被部分氧化會造成光圈周圍形成非導電區域。電流集中會降低產生雷射發射的閾值電流並控制光束寬度。 交感耦合電漿(ICP)用於蝕刻形成VCSEL的垂直或錐形檯面結構。新一代VCSEL的關鍵要求是平滑蝕刻(圖2),沒有側壁損壞或任何層優先被蝕刻。不均勻的側壁會導致VCSEL側面的光損耗。使用濕蝕刻很難獲得最佳的平滑輪廓,因為濕蝕刻本質上是等向性的蝕刻,可能會導致在磊晶層中產生缺口。ICP乾式蝕刻是更具方向性的,可以進行定制以產生更平滑的輪廓。蝕刻深度的精確控制對於VCSEL性能至關重要,在批量生產應用中,使用通過雷射干涉儀或直讀光譜儀(OES)進行條紋計數即可實現精確的終點檢測。 圖2 具平滑側壁表面的錐形VCSEL蝕刻 VCSEL製造商使用電漿體增強化學氣相沉積(PECVD)來沉積最高質量的氮化矽層。最關鍵的應用是抗反射塗層,該塗層可通過腔體來最大化光輸出以來提高雷射性能。這裡,要求厚度和折射率的不均勻性盡可能達到最小。氮化矽還用於提供應力補償層,以最大程度地減少薄基板、鈍化層和硬掩模層的彎曲和翹曲性。 物理氣相沉積(PVD)技術用於沉積TiW/Au晶種層和Au,作為觸點以從器件正面提供電流或幫助散熱。也可以沉積具有定制應力特性的PVD層以補償晶圓應力,否則一旦晶圓變薄並從載體上剝離下來,就會產生晶圓翹曲。 自2016年下半年以來,半導體製造商對SPTS所提供的VCSEL晶圓處理技術需求激增。生產廠商之所以選擇SPTS的Omega蝕刻、Delta PECVD和Sigma PVD解決方案,是因為它們具有精確的製程能力、豐富的製程資料庫,以及SPTS多年為客戶提供的相關技術和產品(如GaAs RF器件和LED)的批量生產的經驗。 (本文作者任職於KLA旗下的SPTS)    
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Arm專注晶片研發 IoT軟體部門分拆至軟銀

日前Arm宣布將兩個軟體單位拆分到日本的母公司軟銀,以專注在核心的晶片研發業務上。Arm表示,希望在今年9月完成部門的轉移。 Arm將物聯網部門拆分給軟銀以專注晶片研發。來源:Arm 2016年,電信營運商軟銀以320億美元收購Arm,成為軟銀目前為止最大的一筆交易。當時收購的其中一個原因,即是軟銀有意將版圖擴及物聯網領域。原本隸屬於Arm的幾個物聯網(IoT)單位,主要的工作是協助購買晶片的客戶管理聯網裝置的數據,現在預計於今年9月轉移到軟銀。一直以來Arm在市場上十分看好物聯網發展,並預測2035年會有一兆個裝置聯網,而裝置所用晶片皆包含其智慧財產權,Arm能透過授權獲利。 目前多數的行動裝置,如手機、平板都採用Arm的晶片,現在Arm擴及車用、資料中心及其他設備的處理器。而為了推動Arm的業務進展,軟銀計畫在2023年將Arm重新上市。
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功率半導體現快充商機 GaN挾高效能進軍消費市場

氮化鎵(GaN)成為電子產業的熱門技術,圍繞氮化鎵的產品、可靠性和解決方案是目前業界關注焦點。其中2020年是消費類充電器,特別是快充市場快速發展的重要時間。隨著市場不斷成熟和趨勢日益明確,消費者對小尺寸和高功率快速充電器的需求越來越大,市場前景可期。GaN快充的其中兩個重要技術指標就是高功率密度和高效能。高功率密度呈現在同一額定功率下的小體積,而高效能則表現於節能環保和更低的工作溫度上。氮化鎵零組件由於具有極高的開關速度及同一晶圓下的小導通電阻,使得更高的效能和開關頻率快速充電成為可能。 2020年採用氮化鎵零組件的快充技術進入快速發展階段,根據產業調查顯示,作為消費類電子指標的手機產業中,目前已經有華為、小米、OPPO等多個知名品牌推出了使用氮化鎵的快充產品。電商方面,更有多達20個品牌先後推出氮化鎵快充產品。本文將探討充電器的技術發展趨勢和氮化鎵功率零組件在高功率、小型化需求下的巨大市場前景。 圖1總結了兩個常見的功率段下,充電器的主要電路和功率密度以及效能指標要求。針對75W以下(30W~65W)的充電器,目前主要電路為單端準諧振(Quasi-Resonant,QR)返馳或主動鉗位返馳(Active Clamp Flyback, ACF)兩種電路。最高效能指標要求接近94%,功率密度要求20W/in3。而高於75W(100W~300W)的充電器,目前基本採用兩級電路方案,前級是功率因數校正電路(PFC),後級為LLC諧振或其他隔離DC/DC電路。最高效能目標要求達到95%,功率密度要達到22W/in3以上。與傳統矽(Si)基功率零組件相比,新材料的氮化鎵零組件具有更高的性能,為充電器,特別是快充產品的小型化和高效能帶來新的可能。 圖1 充電器市場拓撲電路和技術指標 氮化鎵效能高於矽基零組件 氮化鎵零組件由於其寬能隙特點,它的主要優勢在於高開關速度和低開關損耗上。另外,相比同一晶圓大小的功率零組件,氮化鎵功率零組件具有低於矽基零組件的通態電阻,因此系統層面可以帶來更高效能、低工作溫度和小體積的特點,非常適用於小體積、高功率密度的充電器產品設計。總結已量產的氮化鎵功率零組件與目前市場上較優的矽基MOSFET進行比較,可以發現氮化鎵零組件在具有較低的通態電阻下,同時兼具更低的驅動電荷Qg、漏柵極電荷Qgd和輸出能量Eoss,使得高頻率高效能成為可能。 圖2是典型的準諧振(QR)返馳電路拓撲,由於它的低成本和較高可靠性,多用於充電器電路中。在電路中為了提高充電器的功率密度,一個直接的方法就是增加開關頻率來降低變壓器等元件的尺寸。然而提高開關頻率以後,必然將帶來額外的零組件開關損耗和升溫。QR返馳電路主要有兩個與開關頻率相關的損耗,頻率越高相應損耗越大: 1.在功率零組件關斷瞬間原邊電流達到峰值電流,功率零組件在硬關斷過程關閉,存在電壓電流交疊的關斷損耗。可以由零組件驅動電荷Qg和漏柵極電荷Qgd參數來評估。 2.在零組件開通時刻,由於此時電流基本為零,因此不存在開通電壓電流交疊開關損耗,但QR返馳電路在高壓交流電壓輸入(230Vac)條件下零組件開通瞬間漏源極電壓並不為零,所以存在由於內部寄生電容放電產生的放電損耗。它可以由寄生電容對應的輸出能量Eoss參數來評價。 圖2 典型的準諧振(QR)反激電路拓撲和開關過程中的損耗 評價一個功率零組件特性重要指標是品質因數(Figure Of Merit, FOM),它綜合評估零組件的通態和開關特性,越小的FOM代表越優的零組件性能。其中Input FOM表明了零組件在同等通態電阻下,零組件的開關過程中電壓電流交疊損耗,它是硬開關電路評估零組件最重要的指標,例如QR返馳電路的關斷損耗就可以用這個指標來比較。如圖3所示,在相近通態電阻(50~60毫歐)條件下,氮化鎵零組件的漏柵極電荷Qgd僅為矽基零組件的6%,導致開關過程中氮化鎵零組件電壓電流交疊損耗遠小於矽基零組件,約為矽基零組件的五分之一。 圖3 氮化鎵和矽基零組件總電荷比較,以及交疊開關損耗比較 QR Flyback FOM表明QR返馳電路中在同等通態電阻下零組件在200V下寄生電容產生的放電損耗,這裡電壓條件為200V是因為,當輸入交流電壓為高壓230Vac條件下,QR返馳電路功率零組件漏源極電壓約為200V條件下開通,將在此條件下產生寄生電容影響的開通損耗。圖4可以看到,在相近的通態電阻下,氮化鎵零組件的Eoss僅為矽基零組件的60%左右,導致開通電容放電損耗遠低於業界良好的矽基零組件。因此總結分析,氮化鎵零組件在各方面零組件性能上均優於矽基MOSFET零組件,適用於高頻化高效應用,實現優異性能。 圖4 氮化鎵和矽基零組件的輸出能量Eoss比較 產品應用及可靠性測試 從研發工程師的角度分析,在研發充電器產品時主要關注以下三個方面:第一是產品的可靠性,代表零組件在產品壽命中具有高的可靠性和低的失效率,滿足產品的設計壽命;第二是低成本,除了零組件自身成本以外,還需要考慮整體的BOM成本和生產成本;第三是產品能夠快速推向市場,縮短產品設計周期。 例如廠商GaN Systems一直致力於氮化鎵功率零組件的研發和生產,目前已經擁有完整的產品應用領域、高效工作電流和優良封裝的氮化鎵產品線。其中針對快充市場,GaN Systems推出650V 5×6毫米PDFN封裝的氮化鎵零組件,通態電阻從150毫歐(GS-065-011-1-L)到450毫歐(GS-065-004-1-L),可以用於30W到300W的充電器產品中。可靠性方面,GaN Systems按照JEDEC標準的產品認證流程,具有部分測試高於JEDEC標準的測試項目和延長測試時間的倍數。同時基於氮化鎵零組件自身特性,增加了多個額外可靠性測試項目,比如高溫開關動態壽命測試,以確保氮化鎵產品的可靠性和工作壽命。 EZDrive驅動方案 對於增強型氮化鎵零組件驅動,驅動電壓為6V左右,關斷電壓可以為0~10V,而傳統的帶驅動的充電器控制IC輸出驅動電壓一般為12V,因此為了和控制IC的驅動電壓配合,需要進行驅動電壓的電平轉換。其中GaN Systems提出了低成本的EZDrive電平轉換電路,透過簡單的四個小分離元件(RUD/CUD/ZDUD1/ZDUD2)實現驅動電壓的轉換,採用該電路後,氮化鎵零組件驅動實測波型VGS沒有任何過充和干擾振盪(圖5)。 圖5 EZDrive電平轉換電路和驅動波形 使用EZDrive電平轉換電路配合氮化鎵零組件驅動的另一個優勢在於,其驅動電阻Ron和Roff外置(圖6),可以透過驅動電阻來控制漏源極驅動電壓斜率dv/dt進而優化EMI設計。和其他單晶片整合驅動GaN方案相比,氮化鎵零組件加上EZDrive電平轉換電路具有更強的靈活性,並充分利用控制IC內部整合的驅動,實現低成本驅動氮化鎵零組件,同時由於驅動電阻外置,可以控制開關dv/dt斜率達到優化電磁干擾(EMI)設計的目的。 圖6 EZDrive電平轉換電路控制漏源極電壓上升和下降斜率dv/dt 氮化鎵充電器解決方案 採用氮化鎵功率零組件,能夠為充電器特別是快充產品的小型化、高效能、低溫度和低成本帶來可能,將會帶來新的市場機會。為了加速氮化鎵產品的設計與開發,GaN Systems推出針對快充等充電器市場的解決方案,方案覆蓋了30W到300W的功率等級,包含多個充電器常見功率和電路拓撲(準諧振QR返馳/主動鉗位返馳ACF/LLC諧振/功率因數校正PFC等),這些方案都採用了氮化鎵零組件實現高效能和功率密度。圖7是整合650V 5×6毫米PDFN封裝的氮化鎵零組件和EZDrive驅動電平轉換電路的子板(Daughter Card)。可以利用子板快速取代TO220等封裝矽基MOSFET零組件,以評估氮化鎵零組件在性能上的優勢。其中EZDrive電平轉換電路利用四個小分離元件(R1/C1/D2/D3)實現氮化鎵零組件與傳統驅動器或控制器IC的低成本相容。 圖7 氮化鎵5×6毫米PDFN零組件及EZDrive電平轉換電路小子板參考設計 65W高功率密度(18.5W/in3)PD方案是針對快充市場新推出的整體解決方案(圖8),其攜帶了150毫歐氮化鎵零組件(GS-065-011-1-L),採用準諧振電路達到低成本、高頻率解決方案。方案最高效能接近94%,滿足CoC V5 Tier2的效能和待機功耗要求,帶殼高殼溫低於65度以下。除了兩層PCB板低成本設計、高效能和高功率密度之外,方案通過安規標準及EN55032 B類EMI傳導和輻射的全面測試,支援USB-C多種協定輸出,協助使用者縮短產品設計周期,產品快速推向快充消費市場。 圖8  65W PD快充參考設計 如圖9所示,300W高功率密度AC/DC充電器方案使用GS66504B氮化鎵零組件,電路採用同步升壓PFC和LLC諧振電路中,實現了最高95%的效能,34W/in3的功率密度,滿足EN55032 B類EMI傳導要求。其中LLC諧振軟開關電路開關頻率達到500kHz,展現氮化鎵功率零組件在高頻軟開關電路下的獨特優勢。 圖9...
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改善導通損耗/控制電流分流 主動橋式整流器增供電效率

        使用傳統的功率因數修正器,並採用合適的DC/DC轉換器,很容易達到80Plus Platinum的效率要求。而若要再進一步提高到如80Plus Titanium的效率,只是單獨更換功率晶體或是電感並無法達到目的。從圖1的1000W交換式電源供應器中主要功率元件損耗分布圖可以發現,無論是在85Vac或是230Vac的條件之下,橋式整流器的損耗占功率元件損耗的大部分,因此如果想要在現有的架構內有效改善電源供應器的效率,從橋式整流器下手是最直接有效的方式。 圖1  功率因數修正電路內功率元件的損耗分布 如圖2為主動式橋式整流器(Active Bridge Line Rectification)。應用方法是在功率因數修正器中的橋式整流器上並聯額外的功率晶體,利用功率晶體較低的導通電阻,降低橋式整流器的導通損耗,達到提高全機效率的目的。對於應用於主動橋式整流器的功率晶體而言,其主要要求為極低的導通電阻,即使在流過大電流的情況下,要有效降低橋式整流器的功率損耗,功率電晶體二端的電壓差必須遠低於傳統橋式整流器的順向導通電壓值,才能夠使電流盡可能地全部流過功率晶體,達到預期提高效率的目標。 圖2  主動式橋式整流器 兩解方免除能量倒流 主動橋式整流器的控制電路概念簡單,只要以市電電壓經分壓後與參考電壓進行比較,就能夠得到對四個功率晶體的控制訊號(圖3)。此種控制電路會在不同的輸入市電電壓條件下,得到不同導通寬度的控制訊號,在低電壓輸入時,導通時間短,反之亦然。 圖3 主動式橋式整流器控制概念 在傳統的PFC電路中,橋式整流器後連接的濾波電容CF在輕載會造成零交越失真,造成較差的THD值。原因是輕載條件下,濾波電容上存在一較高電壓值,當輸入電壓低於濾波電容電壓時,整流器為截止狀態,電流無法連續導通。而使用主動橋式整流器之後,AC輸入電壓低於濾波電容時,若主動橋式整流器為導通狀態,會造成濾波電容上的能量倒流回到輸入電壓端,造成電源供應器有更差的PF值/THD值及極輕載效率變差(圖4)。 圖4  輕載下,較差的PF及THD值來自濾波電容的能量倒流 可能的解決方案有二,一是只使用下橋的功率晶體(圖4的Q3及Q4),不使用上橋的功率晶體(如Q1及Q2)。逆向電流來自於濾波電容電壓對輸入電壓呈現正壓差,而此時導通的功率晶體會形成傳遞電流的路徑,使用主動橋式整流器的目的是為了改善橋式整流器的導通損耗,因此在考慮效率改善幅度滿足需求的大前提之下,可以只用下橋的功率晶體。其二,使用同步整流控制器,避免負向電流流經主動橋式整流器(圖5)。同步整流控制器的控制機制是送出控制訊號的同時,偵測同步整流功率晶體上的電壓準位,當電壓準位的數值由高減低時,預測電流可能反轉時截止控制訊號,可以避免負向電流。 圖5  採用同步整流控制器用於主動式橋式整流器 整流器控制突發模式 減少無效電流功耗 主動式橋式整流器不只應用於高效率的交換式電源供應器,對於高功率密度及改善無風扇電源供應器的零件溫升也帶來極大的進步。在外置式電源供應器中,為了減少待機功耗,無法避免受到突發模式(Burst Mode)控制。當主動橋式整流器在外置式電源供應器中的Burst Mode控制之下,又該如何解決呢?如圖6(a)所示,為未使用主動橋式整流器時的交流電壓以及流出橋式整流器的電流波型Irec,其中電流波型只有零星出現,而此時待機功耗還能符合國際規範。圖6(b)為使用主動橋式整流器時的功率晶體驅動訊號及流出橋式整流器的電流訊號,可以發現電流波型的數量變多,而且出現負向電流,從實際測試結果來看,電源供應器的待機功率也大幅度提高至將近70mW,使電源供應器的待機功率無法符合國際規範要求。 圖6  主動式橋式整流器於Burst Mode下造成的輸入電流波型 因此在具有Burst Mode控制的電源供應器裡,除了直流電源供應外,主動式橋式整流器的控制機制,必須包括Burst Mode情況下的智慧指示訊號,使主動橋式整流器在Burst Mode發生時,切斷直流電源供應,使之停止動作,減少造成無效電流及無效功耗的增加。 圖7 具有burst mode致能訊號的主動橋式整流器控制概念 主動橋式整流器計算損耗促供電效率提升 對電源供應器的設計者而言,使用主動橋式整流器的目的,不僅是減少橋式整流器的功率損耗,更重要的是從輕載到滿載,全面性地提高電源供應器的效率。計算主動橋式整流器所帶來的損耗改善,一般情況下必須先計算橋式整流器的導通損耗(圖8),整流器被等效為等效的直流電壓差VT串聯等效的電阻RD,其損耗計算公式為: 圖8  二極體的功率損耗計算公式 而功率晶體被等效為一電阻,其值為特定溫度下的導通電阻(圖9),而功率晶體的導通損耗如下: 圖9  功率晶體的功率損耗計算公式 從數學公式來看,可以將特定負載條件下橋式整流器的功率損耗減去功率晶體的功率損耗,就能夠得出效率改善的數值。然而看起來單純的計算,事實上並不容易。原因如下: 1.二極體的功率損耗被等效成為電壓差及等效電阻,然而這兩個值會隨著溫度及二極體電流而有所改變,但是二極體的製造商並沒有列出所有可能的圖型,大多只會提供25℃及150℃的曲線圖。 2.功率晶體的導通電阻隨溫度及電流變化,此外對於極低導通電阻的功率晶體而言,例如10mΩ,PCB上的寄生電阻值,容易造成難以被估算進來的功率損耗。 以實際的測試及量測結果而言,無論用何種方式計算或估測元件本身的功率損耗,都存在誤差,而且如果只探討元件本身的功率損耗值,其誤差值常常讓設計者感到苦惱。對設計者而言,計算橋式整流器及功率晶體損耗的另一個目的,是為了知道主動橋式整流器在何種負載條件下,能夠達到多少效率的提升。上述的測試結果可以利用電流條件,轉換到115Vac及230Vac系統下,不同輸入電流下的效率改善圖得知(圖10/11)。 圖10  分別使用22mΩx4、22mΩx2及40mΩx4 的主動式橋式整流器在115Vac條件下有風扇及無風扇及不同負載條件的效率改善幅度 圖11  分別使用22mΩx4、22mΩx2及40mΩx4...
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超微處理器生產日益倚重台積電

據摩根士丹利(Morgan Stanley)的研究報告估計,對超微而言,台積電將成為無可取代的晶圓代工夥伴。自2021年起,除了伺服器CPU將100%交由台積電生產外,屆時90%的超微桌上型處理器、85%的筆記型電腦處理器,也都將由台積電製造。 超微原本的晶圓代工夥伴格羅方德(GlobalFoundries),占超微處理器代工的比重正在迅速降低,預估到2021年時,僅有5%桌上型處理器、10%筆記型電腦處理器是由格羅方德生產,三星為超微代工桌上型與筆記型電腦CPU的比重也僅各占5%。  
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蘋果Mac SoC預計2021年上半年量產 成本可望大幅降低

根據TrendForce旗下半導體研究處調查,蘋果上月正式發表自研ARM架構Mac處理器(以下稱Mac SoC),宣布Mac預計今年開始逐步導入Apple Silicon,首款Mac SoC將採用台積電5奈米製程進行生產,預估此款SoC生產成本將低於100美金,更具成本競爭優勢。 ​ TrendForce指出,台積電目前5奈米製程僅計畫用於2020年新款iPhone12的A14 Bionic SoC進行批量生產中,以及計劃搭載於2021年新款iPad的A14X Bionic SoC將於第三季開始小量投片,而Mac SoC預計在2021上半年開始投片生產,因此實際應用Apple Silicon最新系列處理器的Mac產品,預估將在明年下半年問世。 由於ARM架構早期定義在省電的優異表現,已成功鞏固手機市場,隨著近年在運算效能上的高速成長,同時能夠兼顧低功耗與高效能表現,可望在高速運算市場與Intel競爭。此外,目前台積電製程已超前Intel近兩個世代,可能為促使蘋果取代Intel CPU的成熟關鍵之一。然而,蘋果此舉的關鍵要素仍在於成本考量與整體生態系的實現,雖然Apple自行研發芯片需委由台積電製造,但相較於目前市售200至300美元的Intel 10奈米入門款雙核心Core-i3,採用台積電5奈米製程製造的Mac SoC成本預估落在100美元左右,將更具優勢。 另外,2021年Intel產品規劃仍在10奈米製程,隨著Apple Silicon進入5奈米製程世代,在製程微縮的影響下,相同晶片尺寸能整合的電晶體數量將大幅增加,效能與省電表現將有機會與Intel主流處理器競爭。
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