中国半导体发展的悲哀:连个高效电源芯片都研发不了

2020-05-09      1548 次浏览

日常生活中开关电源无处不在,手机充电器,笔记本适配器,LED灯驱动电源,电视机内置电源等等,都是开关电源。如果没有开关电源,我们用不了手机和电脑,看不了电视,甚至点亮不了电灯。说得夸张一点,没有开关电源,我们生活会是一片漆黑。开关电源也称电源转换器,就是把交流电变直流电,或者直流变成交流,或者高压变低压,低压转成高压。

特斯拉发明的交流电流是人类电能史上的一个里程碑,早期我们像点亮电灯,驱动马达,直接使用交流电。但是现在很多电子产品需要低压直流电,像单片机,CPU,控制线路等都需要低压直流电。但是接入我们家庭的都是交流电,我们必须把交流电转成直流电,再把高压直流电转成各种低压直流电,给电子终端设备供电。这些转换装置我们称为开关电源(在这里不聊线性电源)。

开关电源最为关键的两个指标,就是效率和体积。我们都希望效率越高越好,这样电能损耗就变小。你可以想象一下,假设有10亿台的开关电源(地球上刚手机充电器就有几十亿个),如果充电器的功率是10W,充电时间为一小时,假设每台手机充电器效率提高1%,10亿台充电器就能节省100000度电。手机充电一次,就能节省这么多电。地球上难以数计的开关电源,长年累月,提高电源效率,节省的电量就非常巨大。

为了节约电能,我们一直在想各种提高开关电源的效率。开关电源的效率与开关电源器件损耗有关,主要的两大损耗是半导体器件损耗和磁芯元器件损耗,半导体损耗又与开关电源线路拓扑有关系。早期的开关电源反激,正激,半桥,推挽拓扑都是硬开关。硬开关就是开关管在高压和大电流的情况下开关的,开关管会产生很大的开通和关断损耗,造成开关电源效率低下。为了提升效率,开关电源采用LLC拓扑。LLC拓扑是软开关的,就是开关管零电压或者零电流导通和关断。这样大大较少了开关管的导通和关断损耗。开关电源效率可以轻而易举地做到90%以上,甚至大功率的开关电源效率能达到96%以上。开关电源损耗小了,器件也可以更小,开关电源的体积也就变小。

世界半导体巨头美国TI公司,发明了经典的硬开关电源芯片UC3842。而另一家半导体大公司ST,发明LLC拓扑芯片L6599,这是一款LLC谐振半桥的经典芯片。发明有十多年了,直到如今,我们还在大量使用中。LLC谐振半桥和普通半桥最大的区别就是软开关和硬开关。作为开关电源中的心脏——电源芯片,在10多年前,内地连做硬开关电源芯片的厂家都屈指可数,到现在能做反激芯片的厂家已经很多了,像士兰微,赛威在小功率反激电源中,占有一席地位。但是到了上百瓦的电源芯片,如LLC拓扑的芯片,内地一家厂商都没有,这是多么可悲啊。LLC电源芯片用在适配器,LED路灯,通信,服务器等高效电源中,用量可以说非常大。但是LLC电源芯片,都被国外厂商占据着,像NXP,TI,ON,Fuji这些半导体大公司。

我们在大功率高效电源芯片领域可以说是个空白,虽然这个芯片不像CPU那么难,但是国内没有一家半导体企业在做。为什么国内企业不做呢,第一个就是技术问题,LLC电源架构相对复杂,控制也是调频,不同于调制脉宽。如果控制不好,很容易炸机损坏电源。你会说只要有钱可以找人做,但芯片开发是个长期的积累过程,开发周期也长。第二个,就是投入和回报的问题,电源芯片比较廉价了,利润不是很大,很多厂家不愿意在这块投入。最后,电源芯片没有像CPU那样受国家重视,即使芯片做出来了,但使用的人还很少,卖不出去,到时反而把开发的企业拖垮。

我国高效电源芯片产业的薄弱,反映了我们半导体产业还处在初级阶段,要想追赶时欧美半导体发展水平,我们还需要走一段长长的路。

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