【導讀】當今各行各業(yè)都需要速度更快、效率更高的電子產(chǎn)品，以便能在幾秒鐘內處理大量數據。但這一需求是以增加功耗為代價(jià)的，這就大大增加了運行這些電子系統所產(chǎn)生的費用。電費約占運行全尺寸數據中心費用的45%。
如今，電源管理已成為一個(gè)重要領(lǐng)域，研究人員專(zhuān)注于在提高功率密度和工作頻率的同時(shí)將損耗降至最低。
當今各行各業(yè)都需要速度更快、效率更高的電子產(chǎn)品，以便能在幾秒鐘內處理大量數據。但這一需求是以增加功耗為代價(jià)的，這就大大增加了運行這些電子系統所產(chǎn)生的費用。電費約占運行全尺寸數據中心費用的45%。一個(gè)中等規模的數據中心可能需要大約50MW的電力容量，這足以為4000戶(hù)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(lái)了很大的壓力。因此，我們需要高效的電源管理解決方案來(lái)應對這些挑戰。
電動(dòng)汽車(chē)(EV)和智能手機等行業(yè)一直在研究延長(cháng)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(shí)又要做到更便宜、更安全和更高效。因此，電源管理已成為當今的一個(gè)重要領(lǐng)域，研究人員致力于通過(guò)提高工作頻率并同時(shí)最大限度地減少損耗來(lái)提高半導體集成電路(IC)的功率密度。他們正在開(kāi)發(fā)更新的氮化鎵(GaN)基和碳化硅(SiC)基IC來(lái)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、封裝和電路設計技術(shù)來(lái)滿(mǎn)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(xiàn)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備的功率傳輸能力，同時(shí)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(gè)主要趨勢，以便為消費者提供最先進(jìn)的電子產(chǎn)品來(lái)滿(mǎn)足他們的需求。這五個(gè)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(guò)隔離提高在高壓(HV)下工作時(shí)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備的尺寸，以便防止過(guò)熱并解決損耗問(wèn)題。然而，由于在電動(dòng)汽車(chē)、智能手機以及其他消費和商用電子產(chǎn)品等各種應用中，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，設計人員需要在提高效率和散熱性能的同時(shí)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(wú)源元件的尺寸，但提高工作頻率會(huì )受到較高的開(kāi)關(guān)損耗、反向恢復損耗、高導通損耗和關(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(shí)保持了出色的散熱性能。
因此，要達到以前無(wú)法達到的功率密度限制，必須單獨解決上述每個(gè)限制因素——減少開(kāi)關(guān)損耗，提高封裝散熱性能，采用創(chuàng )新拓撲和電路，并最終將它們集成起來(lái)以形成封裝。
為了減少開(kāi)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用。GaN表現出零反向恢復、低輸出電荷和更高的電壓轉換速率等特性，因此能實(shí)現一些硅基MOSFET所無(wú)法實(shí)現的新拓撲，從而提供更高效率。
TI已利用GaN的這一特性來(lái)提供更低的損耗并實(shí)現更高的開(kāi)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(zhù)功率密度。因此，TI開(kāi)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(wú)引腳封裝(QFN)，從而顯著(zhù)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載時(shí)所使用的電流量。最小化IQ對于降低功耗和延長(cháng)電池壽命很重要。不連續運行的物聯(lián)網(wǎng)系統會(huì )使用大量IQ為不同的板載模塊供電，因此要延長(cháng)電池壽命，就需要仔細優(yōu)化IQ。但降低IQ也有其缺點(diǎn)——低IQ電流意味著(zhù)設備的瞬態(tài)響應時(shí)間會(huì )增加。這是因為IQ的幅度較低會(huì )造成內部寄生電容花費相對較長(cháng)的時(shí)間來(lái)充電。
圖2：快速喚醒和低待機功耗。
一種降低IQ可行的方法是根據負載電流設置不同的省電模式。雖然這些模式之間的切換是自動(dòng)的，但當以較低的IQ運行時(shí)，在這些模式之間切換所需的轉換時(shí)間會(huì )顯著(zhù)增加，從而導致輸出電壓出現誤差。通過(guò)使用超低漏電元件和新型拓撲結構，TI可以實(shí)現低待機功耗。為了實(shí)現更快的響應時(shí)間，TI使用了快速喚醒電路和自適應偏置，同時(shí)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備運行而導致的電氣通路中不期望的噪聲和干擾。當不同的制造商制造不同的元器件而用于一個(gè)封裝時(shí)，他們會(huì )嘗試將其保持在一定的限度內。TI使用先進(jìn)的擴頻技術(shù)來(lái)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(lái)分散EMI峰值而將其分散在多個(gè)頻率上。
圖3：通過(guò)將高頻電容器集成到封裝內部降低輻射噪聲。
降低噪聲以提高精度
高精度系統需要對系統參數進(jìn)行精確監控，這反過(guò)來(lái)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的可靠性和性能，電源鏈路中信號的監控、調節和處理至關(guān)重要。為提高精度并減少失真，TI使用了專(zhuān)門(mén)的工藝元件以及先進(jìn)的電路和測試技術(shù)。對于電動(dòng)汽車(chē)的電池監控、測試和測量以及醫療等應用，TI使用最先進(jìn)的電源處理技術(shù)來(lái)提高精度，最大限度地減少失真并降低線(xiàn)性和開(kāi)關(guān)電源轉換器的噪聲。
通過(guò)隔離提高高壓工作時(shí)的安全性
電氣隔離是AC和DC或高壓AC/DC和低壓AC/DC兩個(gè)電路之間的隔離。這樣做是為了保護低壓側或DC側免受高壓側所可能發(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(gè)域隔離，而同時(shí)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)超越了所有全球標準，同時(shí)提供了卓越的性能。
總結
世界各地的制造商都在通過(guò)優(yōu)先考慮電源管理來(lái)提供可持續的解決方案，同時(shí)滿(mǎn)足對更快、更高效的電子設備日益增長(cháng)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(shí)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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