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中國半導體發展的悲哀:連個高效電源芯片都研發不了

鉅大鋰電  |  點擊量:0  |  2020年05月09日  

日常生活中開關電源無處不在,手機充電器,筆記本適配器,LED燈驅動電源,電視機內置電源等等,都是開關電源。如果沒有開關電源,我們用不了手機和電腦,看不了電視,甚至點亮不了電燈。說得夸張一點,沒有開關電源,我們生活會是一片漆黑。開關電源也稱電源轉換器,就是把交流電變直流電,或者直流變成交流,或者高壓變低壓,低壓轉成高壓。

特斯拉發明的交流電流是人類電能史上的一個里程碑,早期我們像點亮電燈,驅動馬達,直接使用交流電。但是現在很多電子產品需要低壓直流電,像單片機,CPU,控制線路等都需要低壓直流電。但是接入我們家庭的都是交流電,我們必須把交流電轉成直流電,再把高壓直流電轉成各種低壓直流電,給電子終端設備供電。這些轉換裝置我們稱為開關電源(在這里不聊線性電源)。

開關電源最為關鍵的兩個指標,就是效率和體積。我們都希望效率越高越好,這樣電能損耗就變小。你可以想象一下,假設有10億臺的開關電源(地球上剛手機充電器就有幾十億個),如果充電器的功率是10W,充電時間為一小時,假設每臺手機充電器效率提高1%,10億臺充電器就能節省100000度電。手機充電一次,就能節省這么多電。地球上難以數計的開關電源,長年累月,提高電源效率,節省的電量就非常巨大。

為了節約電能,我們一直在想各種提高開關電源的效率。開關電源的效率與開關電源器件損耗有關,主要的兩大損耗是半導體器件損耗和磁芯元器件損耗,半導體損耗又與開關電源線路拓撲有關系。早期的開關電源反激,正激,半橋,推挽拓撲都是硬開關。硬開關就是開關管在高壓和大電流的情況下開關的,開關管會產生很大的開通和關斷損耗,造成開關電源效率低下。為了提升效率,開關電源采用LLC拓撲。LLC拓撲是軟開關的,就是開關管零電壓或者零電流導通和關斷。這樣大大較少了開關管的導通和關斷損耗。開關電源效率可以輕而易舉地做到90%以上,甚至大功率的開關電源效率能達到96%以上。開關電源損耗小了,器件也可以更小,開關電源的體積也就變小。

世界半導體巨頭美國TI公司,發明了經典的硬開關電源芯片UC3842。而另一家半導體大公司ST,發明LLC拓撲芯片L6599,這是一款LLC諧振半橋的經典芯片。發明有十多年了,直到如今,我們還在大量使用中。LLC諧振半橋和普通半橋最大的區別就是軟開關和硬開關。作為開關電源中的心臟——電源芯片,在10多年前,內地連做硬開關電源芯片的廠家都屈指可數,到現在能做反激芯片的廠家已經很多了,像士蘭微,賽威在小功率反激電源中,占有一席地位。但是到了上百瓦的電源芯片,如LLC拓撲的芯片,內地一家廠商都沒有,這是多么可悲啊。LLC電源芯片用在適配器,LED路燈,通信,服務器等高效電源中,用量可以說非常大。但是LLC電源芯片,都被國外廠商占據著,像NXP,TI,ON,Fuji這些半導體大公司。

我們在大功率高效電源芯片領域可以說是個空白,雖然這個芯片不像CPU那么難,但是國內沒有一家半導體企業在做。為什么國內企業不做呢,第一個就是技術問題,LLC電源架構相對復雜,控制也是調頻,不同于調制脈寬。如果控制不好,很容易炸機損壞電源。你會說只要有錢可以找人做,但芯片開發是個長期的積累過程,開發周期也長。第二個,就是投入和回報的問題,電源芯片比較廉價了,利潤不是很大,很多廠家不愿意在這塊投入。最后,電源芯片沒有像CPU那樣受國家重視,即使芯片做出來了,但使用的人還很少,賣不出去,到時反而把開發的企業拖垮。

我國高效電源芯片產業的薄弱,反映了我們半導體產業還處在初級階段,要想追趕時歐美半導體發展水平,我們還需要走一段長長的路。

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