【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(jià)的，這就大大增加了運(yùn)行這些電子系統(tǒng)所產(chǎn)生的費(fèi)用。電費(fèi)約占運(yùn)行全尺寸數(shù)據(jù)中心費(fèi)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(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(jià)的，這就大大增加了運(yùn)行這些電子系統(tǒng)所產(chǎn)生的費(fèi)用。電費(fèi)約占運(yùn)行全尺寸數(shù)據(jù)中心費(fèi)用的45%。一個(gè)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(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(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。
電動(dòng)汽車(chē)(EV)和智能手機(jī)等行業(yè)一直在研究延長(zhǎng)其產(chǎn)品電池壽命的技術(shù)。如今的消費(fèi)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(dāng)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(dǎo)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(shè)計(jì)技術(shù)來(lái)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(hào)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(shí)最大限度地減少損耗并保持信號(hào)完整性。制造商們正在尋求利用五個(gè)主要趨勢(shì)，以便為消費(fèi)者提供最先進(jìn)的電子產(chǎn)品來(lái)滿足他們的需求。這五個(gè)趨勢(shì)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(shè)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(jī)以及其他消費(fèi)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(jì)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(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(shí)保持了出色的散熱性能。
因此，要達(dá)到以前無(wú)法達(dá)到的功率密度限制，必須單獨(dú)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?fù)浜碗娐?，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(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(shí)現(xiàn)一些硅基MOSFET所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的新拓?fù)洌瑥亩峁└咝省?/p>
TI已利用GaN的這一特性來(lái)提供更低的損耗并實(shí)現(xiàn)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(yùn)行負(fù)載時(shí)所使用的電流量。最小化IQ對(duì)于降低功耗和延長(zhǎng)電池壽命很重要。不連續(xù)運(yùn)行的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)會(huì)使用大量IQ為不同的板載模塊供電，因此要延長(zhǎng)電池壽命，就需要仔細(xì)優(yōu)化IQ。但降低IQ也有其缺點(diǎn)——低IQ電流意味著設(shè)備的瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)間會(huì)增加。這是因?yàn)镮Q的幅度較低會(huì)造成內(nèi)部寄生電容花費(fèi)相對(duì)較長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)充電。
圖2：快速喚醒和低待機(jī)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(dòng)的，但當(dāng)以較低的IQ運(yùn)行時(shí)，在這些模式之間切換所需的轉(zhuǎn)換時(shí)間會(huì)顯著增加，從而導(dǎo)致輸出電壓出現(xiàn)誤差。通過(guò)使用超低漏電元件和新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，TI可以實(shí)現(xiàn)低待機(jī)功耗。為了實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)時(shí)間，TI使用了快速喚醒電路和自適應(yīng)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(shè)備運(yùn)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(gè)封裝時(shí)，他們會(huì)嘗試將其保持在一定的限度內(nèi)。TI使用先進(jìn)的擴(kuò)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(kuò)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(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(duì)系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行精確監(jiān)控，這反過(guò)來(lái)又需要參考信號(hào)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(hào)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(mén)的工藝元件以及先進(jìn)的電路和測(cè)試技術(shù)。對(duì)于電動(dòng)汽車(chē)的電池監(jiān)控、測(cè)試和測(cè)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(lái)提高精度，最大限度地減少失真并降低線性和開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)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(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(gè)域隔離，而同時(shí)又能支持電力和信號(hào)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(shí)提供了卓越的性能。
總結(jié)
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(xù)的解決方案，同時(shí)滿足對(duì)更快、更高效的電子設(shè)備日益增長(zhǎng)的需求。這篇文章介紹了TI等頂級(jí)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(shì)。
(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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