電源技術(shù)發(fā)展及電源管理的應(yīng)用

　　一、引言

　　電能是目前人類生產(chǎn)和生活中最重要的一種能源形式。合理、高效、精確和方便地利用電能仍然是人類所面臨的重大問題。采用電力電子技術(shù)的電源裝置給電能的利用帶來了革命。在世界范圍內(nèi)，用電總量中經(jīng)過電力電子裝置變換和調(diào)節(jié)的比例已經(jīng)成為衡量用電水平的重要指標(biāo)，目前全球范圍內(nèi)該指標(biāo)的平均數(shù)為40%，據(jù)美國國家電力科學(xué)研究院預(yù)測(cè)，到2010年將達(dá)到80%。這對(duì)電源技術(shù)提出了新的挑戰(zhàn)。

　　上世紀(jì)80年代，提出了電源制造中電力電子集成概念，明確了集成化是電力電子技術(shù)未來發(fā)展的方向，是解決電力電子技術(shù)發(fā)展面臨障礙的最有希望的出路。電源集成電路逐步成為功率半導(dǎo)體器件中的主導(dǎo)器件，把電源技術(shù)推向了電源管理的新時(shí)代。電源管理集成電路分成電壓調(diào)整器和接口電路兩方面。正是因?yàn)檫@么多的集成電路(IC)進(jìn)入電源領(lǐng)域，人們才更多地以電源管理來稱呼現(xiàn)階段的電源技術(shù)。

　　二、電源技術(shù)的進(jìn)展

　　電源技術(shù)是一種應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，綜合電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的多學(xué)科的邊緣交叉技術(shù)。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電源技術(shù)又與現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程、微電子技術(shù)等許多領(lǐng)域密切相關(guān)。目前電源技術(shù)已逐步發(fā)展成為一門多學(xué)科互相滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。它對(duì)現(xiàn)代通訊、電子儀器、計(jì)算化、工業(yè)自動(dòng)化、電力工程、國防及某些高新技術(shù)提供高質(zhì)量、高效率、高可靠性的電源起著關(guān)鍵的作用。

　　上世紀(jì)40年代晶體管問世，隨后不到十年，晶閘管在晶體管漸趨成熟的基礎(chǔ)上問世，從而揭開了電源技術(shù)長(zhǎng)足發(fā)展序幕。半個(gè)世紀(jì)以來，電源技術(shù)的發(fā)展不斷創(chuàng)新。

　　1、高頻變換是電源技術(shù)發(fā)展的主流

　　電源技術(shù)的精髓是電能變換。利用電能變換技術(shù)，將市電或電池等一次電源變換成適合各種用電對(duì)象的二次電源。開關(guān)電源在電源技術(shù)中占有重要地位，從20kHz發(fā)展到高穩(wěn)定度、大容量、小體積、開關(guān)頻率達(dá)兆赫茲的高頻開關(guān)電源，為高頻變換提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，促進(jìn)了電源技術(shù)的發(fā)展。高頻化帶來的最直接的好處是降低原材料消耗，電源裝置小型化，提高功率密度，加快系統(tǒng)的功態(tài)響應(yīng)，進(jìn)一步提高電源裝置的效率，有效抑制環(huán)境噪聲污染，并使電源進(jìn)入更廣泛的領(lǐng)域，特別是高新技術(shù)領(lǐng)域，進(jìn)一步擴(kuò)展了它的應(yīng)用范圍。

　　2、新理論、新技術(shù)的指導(dǎo)

　　單管降壓、升壓電路、諧振變換、移相諧振、軟開關(guān)PWM、零過渡PWM等電路拓?fù)淅碚?計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)、功率因數(shù)校正、有源箍位、并聯(lián)均流、同步整流、高頻磁放大器、高速編程、 遙感遙控、微機(jī)監(jiān)控等新技術(shù)，指導(dǎo)廠電源技術(shù)的發(fā)展。

　　3、新器件、新材料的支撐

　　晶閘管(SCR)、可關(guān)斷晶閘管(GTO)、大功率晶體管(GTR)、絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)、智能ICBT(IPM)、MOS柵控晶閘管(MCT)、靜電感應(yīng)晶體管(SIT)、超快恢復(fù)二極管、無感電容器、無感電阻器、新型鐵氧體、非晶和微晶軟磁合金、納米晶軟磁合金等元器件，裝備廠現(xiàn)代電源技術(shù)、促進(jìn)電源產(chǎn)品升級(jí)換代。并正在研究開發(fā)砷化鎵(GaAs)、半導(dǎo)體金剛石、碳化硅(SiC)半導(dǎo)體材料。

　　4、控制的智能化

　　控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路采用集成組件。數(shù)字信號(hào)處理器DSP的采用，實(shí)現(xiàn)控制全數(shù)字化。控制手段用微處理器和單片機(jī)組成的軟件控制方式，達(dá)到了較高的智能化程度，并且進(jìn)一步提高電源裝置的可靠性。

　　5、電源電路的模塊化、集成化

　　單片電源和模塊電源取代整機(jī)電源，功率集成技術(shù)簡(jiǎn)化了電源的結(jié)構(gòu)，已經(jīng)在通訊、電力獲得廣泛應(yīng)用，并且派生出新的供電體制――分布式供電，使集中供電單一體制走向多元化。電路集成的進(jìn)一步發(fā)展是做系統(tǒng)集成，將信息傳輸、控制與功率半導(dǎo)體器件全部集成在一起，增加了可靠性。

　　6、電源設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

　　電源設(shè)備要進(jìn)入市場(chǎng)，今天的市場(chǎng)已是超越局域融費(fèi)全球的一體化市場(chǎng)，必須遵從能源、環(huán)境、電磁兼容、貿(mào)易協(xié)定等共同準(zhǔn)則，電源設(shè)備要接受安全、 EMC、環(huán)境、質(zhì)量體系等多種標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的論證。

　　三、電源管理應(yīng)用

　　1、電源管理

　　電源技術(shù)的發(fā)展是以晶閘管 (可控硅)的發(fā)展作為基礎(chǔ)的。 1979年發(fā)明了功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MOSFET)，1986年生產(chǎn)了高壓集成電路(HVTC)，也就是最早的電源集成電路(電源IC)。正是因?yàn)殡娫醇呻娐分鸩匠蔀楣β拾雽?dǎo)體器件中的主導(dǎo)器件，把電源技術(shù)推向了電源管理的新時(shí)代。

　　電源管理半導(dǎo)體從所包含的器件來說，明確強(qiáng)調(diào)電源管理集成電路(電源管理IC，簡(jiǎn)稱電源管理芯片)的位置和作用。電源管理半導(dǎo)體包括兩部分，即電源管理集成電路和電源管理分立式半導(dǎo)體器件。

　　電源管理集成電路包括很多種類別，大致又分成電壓調(diào)整和接口電路兩方面。電壓凋整器包含線性低壓降穩(wěn)壓器(即LOD)，以及正、負(fù)輸出系列電路，此外不有脈寬調(diào)制(PWM)型的開關(guān)型電路等。因技術(shù)進(jìn)步，集成電路芯片內(nèi)數(shù)字電路的物理尺寸越來越小，因而工作電源向低電壓發(fā)展，一系列新型電壓調(diào)整器應(yīng)運(yùn)而生。電源管理用接口電路主要有接口驅(qū)動(dòng)器、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)驅(qū)動(dòng)器以及高電壓/大電流的顯示驅(qū)動(dòng)器等等。

　　電源管理分立式半導(dǎo)體器件則包括一些傳統(tǒng)的功率半導(dǎo)體器件，可將它分為兩大類，一類包含整流器和晶閘管;另一類是三極管型，包含功率雙極性晶體管，含有MOS結(jié)構(gòu)的功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等。

　　在某種程度上來說，正是因?yàn)殡娫垂芾鞩C的大量發(fā)展，功率半導(dǎo)體才改稱為電源管理半導(dǎo)體。也正是因?yàn)檫@么多的集成電路 (IC)進(jìn)入電源領(lǐng)域，人們才更多地以電源管理來稱呼現(xiàn)階段的電源技術(shù)。

　　2、電源管理IC分類

　　電源管理半導(dǎo)體本中的主導(dǎo)部分是電源管理IC，大致可歸納為下述8種。

　　2.1、AC/DC調(diào)制IC。內(nèi)含低電壓控制電路及高壓開關(guān)晶體管。

　　2.2、 DC/DC調(diào)制IC。包括升壓/降壓調(diào)節(jié)器，以及電荷泵。

　　2.3、功率因數(shù)控制PFC預(yù)調(diào)制 IC。提供具有功率因數(shù)校正功能的電源輸入電路。

　　2.4、脈沖調(diào)制或脈幅調(diào)制PWM/ PFM控制IC。為脈沖頻率調(diào)制和/或脈沖寬度調(diào)制控制器，用于驅(qū)動(dòng)外部開關(guān)。

　　2.5、線性調(diào)制IC(如線性低壓降穩(wěn)壓器LDO等)。包括正向和負(fù)向調(diào)節(jié)器，以及低壓降LDO調(diào)制管。

　　2.6、電池充電和管理IC。包括電池充電、保護(hù)及電量顯示IC，以及可進(jìn)行電池?cái)?shù)據(jù)通訊“智能”電池 IC。

　　2.7、 熱插板控制IC(免除從工作系統(tǒng)中插入或拔除另一接口的影響)。

　　2.8、MOSFET或IGBT的驅(qū)動(dòng) IC。

　　在這些電源管理IC中，電壓調(diào)節(jié)IC是發(fā)展最快、產(chǎn)量最大的一部分。各種電源管理IC基本上和一些相關(guān)的應(yīng)用相聯(lián)系，所以針對(duì)不同應(yīng)用，還可以列出更多類型的器件。

　　3、電源管理的技術(shù)趨勢(shì)

　　電源管理的技術(shù)趨勢(shì)是高效能、低功耗、智能化。

　　提高效能涉及兩個(gè)不同方面的內(nèi)容：一方面想要保持能量轉(zhuǎn)換的綜合效率，同時(shí)還希望減小設(shè)備的尺寸;另一方面是保護(hù)尺寸不變，大幅度提高效能。

　　在交流/直流(AC/DC)變換中，低的通態(tài)電阻，符合計(jì)算機(jī)和電信應(yīng)用中更加高效適配器和電源的需要。在電源電路設(shè)計(jì)方面，一般待機(jī)能耗已經(jīng)降到1W以下，并可將電源效率提高至90%以上。要進(jìn)一步降低現(xiàn)有待機(jī)能耗，則需要有新的IC制造工藝技術(shù)及在低功耗電路設(shè)計(jì)方面的突破。

　　越來越多的系統(tǒng)會(huì)需要多輸出穩(wěn)壓器。例如帶多輸出和電源通路控制的鋰離子充電電池，多輸出 DC/DC轉(zhuǎn)換器和具有動(dòng)態(tài)可調(diào)輸出電壓的開關(guān)穩(wěn)壓器等。

　　電源管理IC的智能化，包括從電源控制到電量監(jiān)測(cè)與電池管理。

　　4、電源管理IC應(yīng)用領(lǐng)域

　　電源管理IC應(yīng)用在便攜式產(chǎn)品(手機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、筆記本電腦、MP3播放器、移動(dòng)硬盤等)、數(shù)字消費(fèi)類電子產(chǎn)品(高清晰度電視機(jī)、LCD電視機(jī)和面板、DVD播放機(jī))、計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、工業(yè)設(shè)備和汽車電子。其中消費(fèi)類電子產(chǎn)品是電源管理芯片的最大應(yīng)用領(lǐng)域。

　　所有這些應(yīng)用和產(chǎn)品都需要相應(yīng)的電源管理技術(shù)才能充分發(fā)揮它們的功能。IC方案需要解決產(chǎn)品差異化，電源管理效率，產(chǎn)品尺寸極小型化以及產(chǎn)品功能多樣化。

　　四、結(jié)論

　　當(dāng)代許多高新技術(shù)均與電網(wǎng)的電壓、電流、頻率、相位和波形等基本參數(shù)的變換與控制相關(guān)。電源技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)這些參數(shù)的精確控制和高效率的處理，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)大功率電能的頻率變換，從而為多項(xiàng)高新技術(shù)的發(fā)展提供了有力的支持。電源集成電路的發(fā)展，把電源技術(shù)推向了電源管理的新時(shí)代。電源技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的進(jìn)―步發(fā)展必將為大幅度節(jié)約電能、降低材料消耗以及提高生產(chǎn)效率提供重要的手段，并為現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活帶來深遠(yuǎn)的影響。