[原创] 另辟新径，罗姆开发出业界首创过零检测IC
2020-07-17
14:01:02
来源: 半导体行业观察
“高可靠性、高效率、低待机功耗”这三个关键词一直是近年来家电市场的需求热点。尤其降低待机功耗一直是业界攻克的难题，为此，罗姆开创性的找到了十年内未发生更改、竟争对手也未曾发力的过零检测电路，以此为着眼点，开发出业界首创的过零检测技术，创造出了一个新市场！
近年来，随着物联网的发展和普及，Wi-Fi等通信功能配置也在加速。为了保证通信功能的正常进行，各种家电包括白色家电、黑色家电在内，它都要始终处于通电状态，这种状态无疑增加了家电类产品的待机功耗。另一方面，家电产品的显示器正在朝着大型化、高性能化和多功能化的方向发展，其显示部分越来越复杂，所以需要搭配更高性能的微控制器，这就增加了工作功耗。
再者，随着绿色可持续化发展的要求，要求家电产品要不断的降低待机功耗和工作功耗。1992年，美国启动了“ENERGY STAR（能源之星）”计划；2005年G8峰会通过了1W计划；到2013年欧盟规定了0.5W待机功耗的最低能耗标准。
对此，业界开始从各方面考量以求降低功耗。ROHM半导体（北京）有限公司青岛分公司经理徐济炜告诉半导体行业观察记者，传统的削减待机功耗思路一般会从AC/DC、DC/DC这些电源部分来考虑，从图1可以看到，罗姆已将传统的电源待机功耗从3.6W降到了1.7W左右，接近50%多的能耗降低，这已经是很大变化。但是再往下降低难度将会比较大，即使我们把AC/DC和DC/DC降得再低，假设极大化这块接近于零，我们也没有办法满足欧盟规定的0.5W的标准。
既然AC/DC、DC/DC这些电源部分已渐触底板，那么放眼整个电源部分，还有哪里是可以开发的？不局限于电源IC，罗姆扩大视野，放眼整个方案，罗姆看到了电机输入电压检测电路和过零检测电路这部分，这部分电路十年来都没有改变，而且竞争对手也未关注，所以罗姆以这部分为着眼点，开发出过零检测IC。这是业界首创的技术。
罗姆开发的过零检测IC“BM1Z001FJ系列”，有助于大幅度的降低白色家电产品的待机功耗，并提高其性能。其主要特点包括，首先，这是一款先进的过零检测IC，待机功耗极低，待机时能做到0.01W，也就是10mW左右；其次它的可靠性更高，不存在随着时间而老化的问题；另外延迟时间的误差极小，可以控制到50微秒以内；在电机应用的情况下，电机输入电压检测这部分的待机功耗为0，因为这部分电路已经放到过零检测IC内部；同时可支持全球的电源电压，可以轻松替换以往的过零检测电路，具有“电压钳位功能”，可以保护后段电路的安全。
ROHM半导体（北京）有限公司青岛分公司经理徐济炜在近日召开的罗姆新品发布会上详细介绍了BM1Z001FJ系列的三大主要特点：
第一，先进的过零检测IC解决了光耦的问题，有助于降低应用的待机功耗。
由图3可以看出，使用光耦的电路其传统的AC/DC和DC/DC部分的待机功耗差不多在0.7W左右，然后电机输入电压检测部分为0.35W，过零检测部分是0.65W，我们可以看到过零检测电路和输入电压检测电路总体的功耗在1W左右，所以这部分的功耗比较大。另外部件数量，仅是过零检测电路这部分部件数量就达到了11个。所以它就会存在以下几个问题。首先，光耦的存在导致待机功耗比较大。另外，光耦利用光学器件传输信号时，存在时间延迟所造成的的功率损失的问题，其转换效率也较差。另外，发光二极管存在树脂等随时间老化的问题，随着时间的变迁，它的可靠性堪忧。
而使用过零检测IC的电路，如图4，因为没有电机输入电压检测这部分，待机功耗这块为0。过零检测IC这一部分，其功耗在10mW左右，除了AC/DC和DC/DC部分，总共的功耗就是10mW，可以看出这部分的功耗已经显著降低。而且它的部件数量大大减少，基本上就是四个部件，不仅提高了方案的可靠性，而且延迟时间也得到了控制，可以控制到50微秒以内，所以全新的过零检测IC解决了光耦电路面临的三个问题，一是待机功耗比较大，二是由于光耦的特性导致的延迟和转化效率差的问题，第三是它本身会光耦因老化问题造成的后期可靠性变差的问题。
徐济炜还讲到，在实际使用中，采用BM1Z系列检测IC与以往的过零检测电路相比，电源的整体待机功耗能够降低47%左右。以我们家庭通常拥有的电器作为计算，像洗衣机、冰箱、空调、咖啡机和电饭煲这五种产品，每种产品可以减少0.5W的待机，那么这五种可以减小2.5W，所以整个家里的电器每年的碳排放量约减少20.5公斤，这相当于是汽车行驶了70公里所排放出来的二氧化碳含量，所以过零检测IC的应用对碳排放量的减少有很大的帮助。
第二，通过集成化，可大幅度减少过零检测时的延迟时间。
从图5左侧来看，在输入AC过零的时候要给MCU一个控制信号，当延迟时间越长，控制得越不精准，导致功率的损耗和控制误差就会越大。从图5右侧中可以看出，光耦检测电路和过零检测IC做了对比，光耦的检测电路延迟的时间要比过零检测IC延迟的时间要大得多，而且它会随着输入电压的变化而变化。
第三，无需更改软件即可轻松替换以往的过零检测电路。
罗姆目前推出的多款过零检测IC系列产品，既有适合用于普通的整流方式的，也有适合于倍压的整流方式，在输出方面既有支持脉冲的触发方式，也有支持边缘的触发方式，所以无论原来的应用方式是什么样的，都可以做一个轻松的替换，而且如果传统的方式中，对延迟做了一个内部的软件处理，我们在应用IC的时候，也可以通过外部电阻去调整延迟时间，这样就保证了即使在软件不改的情况下，也可以做个轻松的替换。
此外，在过零检测IC的内部，罗姆还做了一个电压钳位的功能，它能保证过零检测IC输出给MCU的电压，不会超过MCU最大的额定电压，保证整个后端的MCU不会因为输入电压过高而导致损坏，这就提高了整个方案的可靠性。
谈到其应用市场，徐济炜解释道，本次发布的过零检测IC主要应用在带有Wi-Fi功能的家电，比如像空调、洗衣机、冰箱这样的产品，还有很多物联网的成套家电。他表示，其实，罗姆对过零检测IC在中国白色家电市场的未来是非常有信心的，因为中国家电物联网的发展和普及速度是非常快的，未来会有更多的产品会带有Wi-Fi或者是互联网的功能。
据徐济炜透露，目前这款商品已经在2020年3月份开始出售样品，6月份量产。已经有日系的客户决定使用，在国内的一些家电厂商已经进入评估阶段。
在家电电源领域，罗姆正通过垂直统合型生产体系发挥增效，拥有丰富的开发和采用实绩，可以为多种电源单元提供产品。例如在电源整流部分罗姆有整流二极管。罗姆在PFC部分有控制IC，可以支持CCM、DCM的各种模式，同时罗姆在PFC部分用MOSFET和作为整流使用的快恢复二极管，有大量的应用实绩。AC/DC部分有内置MOSFET产品和外置MOSFET的控制IC。二次侧整流部分罗姆有传统的像肖特基二极管、快恢复二极管作为整流的应用，同时也有现在比较流行的同步整流的IC，包括同步整流的MOS，这块罗姆都有很多应用实绩。
“高可靠性、高效率、低待机功耗”一直是罗姆电源开发的方针和产品特点。由下图图表，我们可以看到罗姆的电源产品线，输入电压从几伏到几十伏一直到上百伏，输出功率从几安培到几毫安、十几毫安罗姆的产品一直都在广泛应用。从应用市场来看，各种小家电，工业类设备，打印机和其他的消费类产品，包括大家电、像电视机和冰箱，还有一些音响类的产品我们也是有应用实绩的，小到游戏机我们都是可以广泛支持的。”徐济炜讲到。
未来，罗姆正在以过零检测IC为核心，通过在传统的AC/DC产品领域积累的经验，面向白色家电市场开发出过零检测IC和AC/DC一体化的封装，进一步可以提高电源的功率密度，减小电源部分整体的体积。与此同时，罗姆将利用多年积累的经验和解决方案，加之自身的技术优势，继续为家电的节能和物联网化的发展贡献力量！
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