历经30年的发展液晶显示器终于正式挤身进入次世代大型平面显示器行列，不过另人遗憾的是以平面、轻巧为主要诉求的液晶显示器，一直受到传统交流变压器（AC:Alternating Current Adapter）庞大外形的限制，无法将电源供应器内建于液晶显示器内部，造成外置式变压器成为数位相机、笔记型电脑、监视器（monitor）、液晶电视等可携式应用电子产品的绊脚石。 有鉴于此国外业者最近几年相继推出液晶电视用内嵌式AC变压器，由于该变压器具备小型、低电力损失等性能，因此内嵌式AC变压器已经引起相关业者高度关注。 如图1所示未来60W等级的交流变压器，外形体积可望降至1/2以下，体积变主要是得力于ON阻抗只有传统元件数分之一，内建switching电晶体与虚拟共振控制技术的新型IC问世，使得交流变压器的电力转换效率与电力密度能够获得大幅提升。
如上所述由于AC-DC Converter模组体积的缩小，目前採用外置式电源供应器10～20英吋等级的液晶电视，未来可以将交流变压器内嵌于液晶电视模组内部，届时液晶电视除了更轻巧之外，商品附加价值更可望大幅提升。 如图2所示由于新型交流变压器大量使用可以降低待机时的消费电力控制技术，因此业界普遍认为输出为20～100W等级的交流变压器，到了2005年50W等级的交流变压器将成为市场主流，因为下游系统厂商只需应用新/旧控制技术，机器造成的负载大小并不会影响新型交流变压器的高电力效率。 更令人振奋的是新型交流变压器除了上述液晶显示器之外，还可以应用在数位相机、笔记型电脑等所有可携式数位电子产品。
发展经纬
由于输出超过60W的AC电源供应器模组内部仍有许多间隙，因此提高转换效率的同时，若能使元件之间的Layout更紧凑，理论上电源供应器的体积就可以大幅缩小。 图3是笔记型电脑用60W等级，外置式AC电源供应器的内部结构，由图可知变压器、整流二极体、Switching Transistor、平整用电容各元件之间几乎没有多余的间隙，然而输出若超过60W以上，电力损失与热量也会随着增加，因此必需加大元件之间的间隔设置散热器，如此一来庞大的外形就无法适用于液晶电视。
此外液晶电视的动作环境温度为 250C ，AC电源供应器的表面温度上限为 450C，也就是说消除元件之间多余间隙缩小外形的同时，提高电力转换效率降低发热量才是根本对策。 具体步骤是应用半导体与控制技术，将90%左右的电力转换效率提升至94～95%，如此一来60W等级液晶电视用AC电源供应器的体积，可以从目前500ml一口气压缩至140ml左右，80W等级笔记型电脑用AC电源供应器的体积则可以降至2/3以下。 如图4所示有关发热量的抑制，除了元件小型化与削减元件使用数量之外，提高switching动作频率，则是日本业者非常热衷的方案之一。根据相关业者表示3MHz左右的switching动作频率，可以有效降低变压器与平整用电容的容量，频率超过3MHz则适用于笔记型电脑用AC电源供应器。
有关消除元件之间的间隙，如图5所示具体手法是开发低ON阻抗switching transistor藉此抑制电力损失。目前switching transistor大多使用功率（power）MOSFET IC，该IC可分为70W以上与70W以下两种type，前者的source与drain属于纵向排列的纵型MOSFET结构，后者则採用水平方向排横型MOSFET结构，如图6所示相同耐压纵型功率MOSFET的ON阻抗是横型MOSFET的1/3，不过横型功率MOSFET IC却可以与控制IC进行单晶片化，但是不论哪一种结构，只要改变电晶体的构造理论上都可以大幅降低ON阻抗。
图6 单封装与单晶片化的比较 如上所述日本半导体业者普遍认为高功率MOSFET IC，比较适合採用所谓的「Super Junction」电晶体（transistor）结构，根据东芝公司表示电晶体结构的改良，2005年ON阻抗可以降低至3Ωmm2，到了2008年甚至可以低于2Ωmm2 。 事实上Super Junction结构的功率MOSFET IC，是德国Infineon Technologies AG在1998年开发的技术，美国Fairchild Semiconductor等半导体厂商依此进行改良。由于Infineon Technologies AG拥有极高的市场占有率，因此高单价的Super Junction功率MOSFET IC，一直未能普遍应用在一般AC电源供应器领域，所幸的是2005年松下电器、富士电机等日本国内半导体厂商，开始大量生产Super Junction功率MOSFET IC，因此价格不再是棘手的问题。 Super Junction结构最大特徵是可以解决ON阻抗降低的同时，耐压特性也随着下跌的窘境（dilemma），它可以发挥比传统纵型功率MOSFET更高的耐压特性，并且有效抑制ON阻抗。 以往为了降低ON阻抗一般都会提高电晶体n型层的不纯物浓度，其结果反而造成耐压特性急速恶化，主要原因是OFF状态时电晶体内部，n型层与p型层的的电界强度峰值（peak）非常高，若施加电压的话极易引发电气性损毁。如图7所示由于Super Junction结构上可以使n型层的电界强度分佈均匀化，因此即使提高电晶体n型层的不纯物浓度，也不易发生电界遭受损毁等困扰。
低功率MOSFET的技术动向
低功率用横型MOSFET的体积只有传统MOSFET IC的1/2以下，相同的晶片面积可以微积的IC数量可以增加2倍以上，这意味着它可以提高电流驱动能力与晶片单位面积的导电性，同时还能够有效抑制ON阻抗。
根据富士电机表示横型功率MOSFET的ON阻抗只有8Ωmm2，是传统同等级功率MOSFETIC的1/3左右，该公司预定2005年正式量产横型功率MOSFET IC。此外富士电机还着手进行电流路径的改良，试图藉此达成电晶体小型化的目标。如图8所示传统结构的电子，沿着晶片表面水平方向从source朝drain流动，改良后的电流路径则是沿着晶片表面垂直方向流动。传统结构若只是单纯缩短source与drain之间的距离，电晶体小型化的同时source与drain之间的电界强度却相对提高，其结果极易造成MOSFET IC的耐压特性急速劣化，相较之下新型结构的电子是沿着晶片纵深方向流动，因此路径总长度并未改变，耐压特性也不会受到任何影响。
AC变压器的高频化技术
整体而言液晶电视用AC变压器的switching高频化进展相当缓慢，一般认为短期内100W等级AC变压器的switching频率将维持在100kHz附近。虽然笔记型电脑等应用需求频率为MHz等级，不过高频化后电力损失与电磁杂讯会变大，造成该现象主要原因是switching时，功率MOSFET IC内部会有多余电流流动，高频化后switching的次数增加，连带使得多余电流流动次数也随着增加，最后导致电力损失急速提高。
以现有的技术而言，首先将90%的电力转换效率提高至95%并降低电力损失，接着提高switching频率并缩小元件体积的构想似乎比较可行，未来若能充分发挥Super Junction结构特性，同时有效降低功率MOSFET IC的ON阻抗，才有可能使AC变压器达成MHz等级高频化的目标。 图9是有关降低AC变压器的电力损失与电磁杂讯具体方法，由图可知它是利用虚拟共振控制技术，使功率MOSFET IC作soft switching动作。主要原因是传统PWM控制技术属于hard switching动作，因此ON时会有瞬间性大电流流动，如此一来switching动作时，除了无谓的消耗电力之外，drain电压的变化也变得非常急峻，最后导致严重的电磁杂讯，有效对策是改用soft switching动作方式，藉此减轻drain电压在最低点时的无谓电力消耗，同时减缓turn on时的drain电压变化，抑制电磁杂讯的发生。 根据富士电机试算结果显示，虚拟共振控制技术可以使AC变压器的电力转换效率提高至86～87%，比传统PWM控制方式的80%提高约10%左右，若改用松下电器2004年发表的横型功率MOSFET与控制电路单晶片化IC的话，3MHz以上的电磁杂讯，比PWM控制方式低1/20左右。 不过switching频率若超过1MHz以上时会衍生其它问题，例如利用导线连接控制IC与高频化专用纵型功率MOSFET时，导线会成为寄生电感（inductor）当switching时会产生严重的电磁杂讯，加上纵型功率MOSFET与控制电路两者整合成单晶片时，涉及截然不同的IC製程，必需开发全新的製作技术，因此短期内仍无法使AC变压器达成switching高频化的目标。
低待机耗电化技术
有关液晶电视用AC电源供应器小型化后的低待机电力技术，理论上只要抑制switching timing，与流入无负载状态switching transistor内的电流值，低待机消费电力可以低于100mW以下。 从一般电力负载状态变成接近无负载状态时，switching mode必需作瞬间切换，如果能够减少无负载状态时的switching次数，就可以大幅抑制drain电流。如图10所示，Infineon公司的控制用IC，可以使drai电流降至1/4以下，事实上已经证实上述推论。换句话说AC电源供应器若能与上述控制IC，以及Super Junction结构的功率MOSFET IC整合的话，无负载状态时的待机耗电量可以降至十mW左右；若改用松下电器横型功率MOSFET与控制电路单晶片化IC的话，液晶电视用AC电源供应器无负载状态时的待机耗电量大约是40mW。
结语
以上介绍液晶电视用内嵌式AC变压器的技术动向，由于内嵌式AC变压器的问世，未来液晶显示器相关的应用产品，除了可能达成轻巧的预期目标之外，还能够大幅提升商品附加价值，AC变压器不再是液晶显示器的绊脚石。
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