淺析電源發(fā)展的三大趨勢(shì)

毫無疑問，電源調(diào)節(jié)、傳輸和功耗都是日益重要的話題。人們期望智能產(chǎn)品功能日趨多樣、性能更強(qiáng)大和外觀更加酷炫。但是，所有電子產(chǎn)品都離不開電源，而且隨著功能的豐富，業(yè)界看到了關(guān)注電源相關(guān)問題的重要意義。展望2019年最受廣泛關(guān)注的三大問題是：密度、EMI和隔離（信號(hào)和電源）。

實(shí)現(xiàn)更高的密度：縮小電源管理所占的空間

由于半導(dǎo)體工藝技術(shù)和芯片功耗技術(shù)的進(jìn)步，芯片上可以集成工作功能和晶體管，由此又增大了芯片的總體功耗，如圖1所示。一些處理器現(xiàn)在可以消耗幾百安培電流，并且可以在不到一微秒的時(shí)間內(nèi)從低電流狀態(tài)上升到完全激活狀態(tài)。通過降低損耗和提高熱性能實(shí)現(xiàn)“在硬幣大小的面積上達(dá)到千瓦級(jí)功率”的密度目標(biāo)并非一句玩笑話。

圖1：從1992年到2010年的產(chǎn)品熱密度發(fā)展趨勢(shì)

問題不僅在于管理功率和因此產(chǎn)生的功耗，由于存在基本的I2R損耗，即使在電源負(fù)載路徑中明顯“可忽略”的電阻也成為了有效功率輸送的主要障礙：在200A時(shí)，僅1mΩ的引線/走線電阻可導(dǎo)致出現(xiàn)0.2V IR壓降和40W損耗。此外，因?yàn)榭梢钥拷?fù)載放置，使用較小的轉(zhuǎn)換器也存在兩難問題，這一方面有利于減少走線損耗和噪聲拾取，但也成為負(fù)載附近的一個(gè)發(fā)熱源，導(dǎo)致溫度升高。

與功率密度相關(guān)的趨勢(shì)：

單顆“魔彈”可能無法解決密度難題。解決方案包括跨學(xué)科改進(jìn)，它將導(dǎo)致：

更高頻率的開關(guān)；

將電源管理功能（或其電感）移到處理器散熱器下方；

更高的軌電壓，如48V，以最小化IC壓降；

新封裝類型；

將無源元件集成到芯片上或封裝中。

減小EMI的挑戰(zhàn)：復(fù)雜度超出科學(xué)范疇

圖2：禁用和啟用擴(kuò)頻的噪聲比較

隨著電子產(chǎn)品更廣泛、更深入地?cái)U(kuò)展到大眾市場(chǎng)應(yīng)用中，如何降低EMI已成為一個(gè)更大的問題。以現(xiàn)時(shí)的汽車作為例子，由于難以抑制AM波段EMI，一些電動(dòng)汽車/混合動(dòng)力汽車不再提供AM無線電選項(xiàng)。當(dāng)然，汽車中的EMI不僅僅會(huì)影響無線電，還會(huì)影響任務(wù)關(guān)鍵型ADAS（先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)）功能。

對(duì)設(shè)計(jì)人員來說，EMI方面的挑戰(zhàn)在于它通常比一般學(xué)科更像是一門藝術(shù)，而非一門科學(xué)。建模是一個(gè)難題，其解決方案通常需要反復(fù)試驗(yàn)才能將其降至所需的數(shù)值。此外，EMI并非單一實(shí)體，而是具有不同的來源、路徑和外觀。例如，通常引線布線和PCB布局會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的輻射性EMI，而轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)和無源濾波器網(wǎng)絡(luò)則產(chǎn)生更強(qiáng)的傳導(dǎo)差分模式EMI。

與EMI相關(guān)的趨勢(shì)：

雖然己經(jīng)有無源濾波器相關(guān)的解決方案，但因?yàn)槌叽?、重量和成本的問題未能被廣范應(yīng)用。很可能要等IC供應(yīng)商從源頭解決EMI問題，提供更好的產(chǎn)品并增強(qiáng)可用性，以滿足必要的標(biāo)準(zhǔn)和要求。

這些解決方案詳細(xì)介紹了噪聲的基本原理，并將降噪技術(shù)進(jìn)行了分層：

更多使用擴(kuò)頻技術(shù)來擴(kuò)散噪聲能量，從而降低其在整個(gè)頻譜上的峰值；

封裝，包括集成無源元件，可減少開關(guān)時(shí)引起電壓尖峰和振鈴的寄生效應(yīng)；

調(diào)制功率器件柵極驅(qū)動(dòng)，以減少產(chǎn)生噪聲的dV/dt回轉(zhuǎn)，同時(shí)不影響效率。

增強(qiáng)隔離：確保A點(diǎn)與B點(diǎn)之間無電流路徑

盡管電氣隔離技術(shù)已經(jīng)使用了很多年，但新工程師通常對(duì)其了解甚少。簡(jiǎn)而言之，它提供了一個(gè)屏障，因此輸入和輸出級(jí)之間沒有歐姆（電流）路徑，但允許電源和信號(hào)能量通過該屏障?？梢酝ㄟ^各種方法來實(shí)現(xiàn)隔離，包括光學(xué)、磁性、電容或小型RF耦合，如圖3。

圖3：電氣隔離類型

電流隔離最主要的目的有兩個(gè)。首先，它為具有內(nèi)部潛在危險(xiǎn)性高電壓系統(tǒng)的用戶提供了安全性，它可以確保系統(tǒng)中存在任何內(nèi)部故障時(shí)，都無法影響到用戶。其次，它實(shí)現(xiàn)了一大類創(chuàng)新型電源系統(tǒng)架構(gòu)，其中初級(jí)側(cè)和次級(jí)側(cè)之間必須沒有可能的公共電流，例如當(dāng)一側(cè)接地時(shí)，另一側(cè)處于不接地連接的“浮動(dòng)”狀態(tài)。

人們對(duì)隔離的需求受到各種情況的驅(qū)動(dòng)，例如工廠自動(dòng)化、廣泛的人機(jī)界面（HMI）、太陽(yáng)能電池板和醫(yī)療儀器。GaN和SiC功率器件的dV/dt額定值較高也推動(dòng)了隔離的要求。

與隔離有關(guān)的趨勢(shì)：

隔離可以僅用于電源軌、信號(hào)線（數(shù)據(jù)）或同時(shí)用于兩者。理想情況下，IC供應(yīng)商可以將電源和數(shù)據(jù)隔離集成在同一個(gè)封裝中，以確保安全性和可靠性。此外，由于集成了數(shù)據(jù)和電源隔離功能，IC供應(yīng)商可以針對(duì)這些應(yīng)用的嚴(yán)格EMI標(biāo)準(zhǔn)更好地進(jìn)行控制和設(shè)計(jì)。

所需的隔離級(jí)別是應(yīng)用的一大功能：5kV增強(qiáng)隔離在許多情況下是足夠的，并且有詳細(xì)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)其進(jìn)行定義。

由于具有卓越的共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）性能和數(shù)據(jù)完整性，使用隔離電容進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸是一種流行的作法。然而，由于可傳輸?shù)墓β视邢抟约靶什桓撸瑢?duì)于大多數(shù)功率傳輸應(yīng)用來說隔離電容是不可行的。因此，當(dāng)需要功率傳輸時(shí)，磁性方法成為了優(yōu)選方案。結(jié)合這兩種方法，可以在同一封裝中實(shí)現(xiàn)完全“自偏置”收發(fā)器等解決方案，同時(shí)具有隔離電源和數(shù)據(jù)連接。此類產(chǎn)品和技術(shù)創(chuàng)新真正改變了這些安全關(guān)鍵應(yīng)用中的游戲規(guī)則。

結(jié)論

電源功能、組件和傳輸方面的進(jìn)步是跨學(xué)科的。因?yàn)槊芏?、EMI和隔離密切相關(guān)，例如，降低EMI會(huì)導(dǎo)致無源濾波器尺寸減小，從而獲得更高的功率密度。進(jìn)步將來自“堆疊”創(chuàng)新，帶來更多重大技術(shù)發(fā)展。其中包括充分表征的寬帶隙（WBG）功率器件、改進(jìn)的器件管芯熱界面、增強(qiáng)的無源器件和功能集成、先進(jìn)工藝技術(shù)的開發(fā)和創(chuàng)新的電路IP。