【導(dǎo)讀】當(dāng)今各行各業(yè)都需要速度更快、效率更高的電子產(chǎn)品，以便能在幾秒鐘內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)。但這一需求是以增加功耗為代價的，這就大大增加了運行這些電子系統(tǒng)所產(chǎn)生的費用。電費約占運行全尺寸數(shù)據(jù)中心費用的45%。
如今，電源管理已成為一個重要領(lǐng)域，研究人員專注于在提高功率密度和工作頻率的同時將損耗降至最低。
當(dāng)今各行各業(yè)都需要速度更快、效率更高的電子產(chǎn)品，以便能在幾秒鐘內(nèi)處理大量數(shù)據(jù)。但這一需求是以增加功耗為代價的，這就大大增加了運行這些電子系統(tǒng)所產(chǎn)生的費用。電費約占運行全尺寸數(shù)據(jù)中心費用的45%。一個中等規(guī)模的數(shù)據(jù)中心可能需要大約50MW的電力容量，這足以為4000戶家庭供電。由于產(chǎn)生這些能量使用了大量不可再生資源，消耗這些能量給環(huán)境帶來了很大的壓力。因此，我們需要高效的電源管理解決方案來應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。
電動汽車(EV)和智能手機等行業(yè)一直在研究延長其產(chǎn)品電池壽命的技術(shù)。如今的消費者需要提供不間斷的服務(wù)，同時又要做到更便宜、更安全和更高效。因此，電源管理已成為當(dāng)今的一個重要領(lǐng)域，研究人員致力于通過提高工作頻率并同時最大限度地減少損耗來提高半導(dǎo)體集成電路(IC)的功率密度。他們正在開發(fā)更新的氮化鎵(GaN)基和碳化硅(SiC)基IC來促進(jìn)高頻操作。除了更新的化合物，德州儀器(TI)等領(lǐng)先的電子元器件制造商正在使用改進(jìn)的工藝、封裝和電路設(shè)計技術(shù)來滿足電源管理的工業(yè)需求。電源管理包括提高功率密度、減少電磁干擾以及在存在高壓線的情況下保持電源和信號的完整性。
高效的電源管理包括增加電子設(shè)備的功率傳輸能力，同時最大限度地減少損耗并保持信號完整性。制造商們正在尋求利用五個主要趨勢，以便為消費者提供最先進(jìn)的電子產(chǎn)品來滿足他們的需求。這五個趨勢是：
增加功率密度；
降低靜態(tài)電流(IQ)；
降低電磁干擾(EMI)；
降低噪聲以提高精度；
通過隔離提高在高壓(HV)下工作時的安全性。
增加功率密度
增加傳輸功率通常需要增加所用電子設(shè)備的尺寸，以便防止過熱并解決損耗問題。然而，由于在電動汽車、智能手機以及其他消費和商用電子產(chǎn)品等各種應(yīng)用中，可用于容納電子元器件的空間有限，因此增加尺寸并不可行。因此，設(shè)計人員需要在提高效率和散熱性能的同時加入更多電子元器件。提高工作頻率有助于提高功率密度并減小電感器、電容器和變壓器等無源元件的尺寸，但提高工作頻率會受到較高的開關(guān)損耗、反向恢復(fù)損耗、高導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗以及散熱性能等因素的限制。
圖1：HotRod封裝消除了邦定，同時保持了出色的散熱性能。
因此，要達(dá)到以前無法達(dá)到的功率密度限制，必須單獨解決上述每個限制因素——減少開關(guān)損耗，提高封裝散熱性能，采用創(chuàng)新拓?fù)浜碗娐罚⒆罱K將它們集成起來以形成封裝。
為了減少開關(guān)損耗，業(yè)界將GaN和SiC等新型化合物用于高壓和高頻應(yīng)用。GaN表現(xiàn)出零反向恢復(fù)、低輸出電荷和更高的電壓轉(zhuǎn)換速率等特性，因此能實現(xiàn)一些硅基MOSFET所無法實現(xiàn)的新拓?fù)洌瑥亩峁└咝省?/p>
TI已利用GaN的這一特性來提供更低的損耗并實現(xiàn)更高的開關(guān)頻率。除了較新的化合物，從IC封裝中散熱的能力也直接影響著功率密度。因此，TI開發(fā)了HotRod封裝技術(shù)，也即用倒裝芯片式封裝取代了所典型使用的邦定式的方形扁平無引腳封裝(QFN)，從而顯著降低了寄生回路電感，進(jìn)而有助于減少發(fā)熱。
降低靜態(tài)電流
IQ是電路受到啟用但不支持或未運行負(fù)載時所使用的電流量。最小化IQ對于降低功耗和延長電池壽命很重要。不連續(xù)運行的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)會使用大量IQ為不同的板載模塊供電，因此要延長電池壽命，就需要仔細(xì)優(yōu)化IQ。但降低IQ也有其缺點——低IQ電流意味著設(shè)備的瞬態(tài)響應(yīng)時間會增加。這是因為IQ的幅度較低會造成內(nèi)部寄生電容花費相對較長的時間來充電。
圖2：快速喚醒和低待機功耗。
一種降低IQ可行的方法是根據(jù)負(fù)載電流設(shè)置不同的省電模式。雖然這些模式之間的切換是自動的，但當(dāng)以較低的IQ運行時，在這些模式之間切換所需的轉(zhuǎn)換時間會顯著增加，從而導(dǎo)致輸出電壓出現(xiàn)誤差。通過使用超低漏電元件和新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，TI可以實現(xiàn)低待機功耗。為了實現(xiàn)更快的響應(yīng)時間，TI使用了快速喚醒電路和自適應(yīng)偏置，同時保持了較低的靜態(tài)電流。
降低電磁干擾
EMI是由于附近有其他電磁設(shè)備運行而導(dǎo)致的電氣通路中不期望的噪聲和干擾。當(dāng)不同的制造商制造不同的元器件而用于一個封裝時，他們會嘗試將其保持在一定的限度內(nèi)。TI使用先進(jìn)的擴頻技術(shù)來減輕EMI所產(chǎn)生的影響。為了進(jìn)一步提高較低頻譜中的抗EMI能力，TI在其許多器件中都使用了有源EMI濾波方法。擴頻方法使用能量守恒原理來分散EMI峰值而將其分散在多個頻率上。
圖3：通過將高頻電容器集成到封裝內(nèi)部降低輻射噪聲。
降低噪聲以提高精度
高精度系統(tǒng)需要對系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行精確監(jiān)控，這反過來又需要參考信號具有低噪聲失真。為了最大限度地提高系統(tǒng)的可靠性和性能，電源鏈路中信號的監(jiān)控、調(diào)節(jié)和處理至關(guān)重要。為提高精度并減少失真，TI使用了專門的工藝元件以及先進(jìn)的電路和測試技術(shù)。對于電動汽車的電池監(jiān)控、測試和測量以及醫(yī)療等應(yīng)用，TI使用最先進(jìn)的電源處理技術(shù)來提高精度，最大限度地減少失真并降低線性和開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的噪聲。
通過隔離提高高壓工作時的安全性
電氣隔離是AC和DC或高壓AC/DC和低壓AC/DC兩個電路之間的隔離。這樣做是為了保護(hù)低壓側(cè)或DC側(cè)免受高壓側(cè)所可能發(fā)生的浪涌和故障的影響。電流隔離是電子產(chǎn)品中最常用的隔離，它可以將兩個域隔離，而同時又能支持電力和信號跨隔離柵傳輸并提供抗噪聲能力。SiO2隔離電容和集成變壓器等TI先進(jìn)的隔離技術(shù)超越了所有全球標(biāo)準(zhǔn)，同時提供了卓越的性能。
總結(jié)
世界各地的制造商都在通過優(yōu)先考慮電源管理來提供可持續(xù)的解決方案，同時滿足對更快、更高效的電子設(shè)備日益增長的需求。這篇文章介紹了TI等頂級公司在制造低功耗、高性能電子元器件時所遵循的五大趨勢。
(原文刊登于EDN姊妹網(wǎng)站Power Electronics News，參考鏈接：Top 5 Trends in Solving power Management Challenges，由Ricardo Xie編譯。)
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