高效电源系统

 

高频化
---高效、高频、智能

在全球节能环保的大环境下,节能、高频、高效、微型、智能是开关电源行业未来的发展趋势。其中高频化使开关电源小型化, 并使开关电源进入更广泛的应用领域, 从毫瓦到兆瓦的电源产品,提高效率是永恒的主题。泰克从电源设计的各个阶段入手,为您分享电池的寿命优化,功率器件的标定和选择,电源原型板调试及电源标准的一致性测试的趋势及方法。泰克为您提供了完整的电源解决方案助您应对现在及未来的挑战!

  • 微安、纳安级的小电流测试
  • 不同模式下快速切换的准确测试
  • 专用的电池功耗测试软件
  • 新型宽禁带GaN、SiC性能验证
  • 功率器件的性能标定
  • 功能器件的功耗测试
  • 如何确定主要功率损耗点(开关管、变压器等)
  • 电源整体效率的评价
  • 如何保证在设计过程中EMI合规
  • 电源标准的测试(6级能耗、能源之星)
  • IEC谐波标准61000-B-2预一致性测试
  • EMC预一致性测试

节能 电池寿命优化

Battery-life在深度休眠下,功耗降至纳安和皮安范围。
在谈到电池供电效率方面,就会想起移动设备。我们预计,一台电话的通话时间至少 8 小时,我们还预计此电话采用紧凑型的适合包装。 2017 年 11 月的爱立信移动报告指出,目前,移动宽度用户数超过 50 亿。随着智能手机将毫无疑问地继续推动电源管理和电池技术,全新类型的联网设备将测试电源管理的极限。预计,截至 2020 年,将有 240 亿台 IoT 设备通过无线技术联网。

高频化
新型功率器件的崛起
向宽禁带半导体 SiC 和 GaN 的大过渡

功率电子学将在未来五年发生重大变化,宽禁带半导体技术的用途也将增多。碳化硅 (SiC) 和氮化镓 (GaN) 等新半导体材料具有较好的导热性、较高的开关速度且外形小于硅设备。

Battery-life

此种电源的基本构件的转变将推动新设计的产生。预计,GaN 将改变不大于 100W 的电子电源的世界。GaN 技术也将动摇 RF 功率放大器的世界,因为许多属性相同,此技术非常适合进行电源转换。SiC 在电机、驱动器和逆变器等较大功率设计中找到用武之地。 泰克工程师 Tom Neville 说道:“今年,通过碳化硅,我们看到存在许多商用产品的巨大转折点。我认为 GaN 有些落后。成本无疑是一方面,另一方面则是可靠性。”

半导体行业正在努力开发和推进这些新型宽禁带电源设备。半导体研发工程师正在努力验证和检定新器件。驱动器制造商正在研发新门电路驱动器来满足更快开关速度、EMI 管理和更复杂拓扑网络的要求。这些公司的制造工程师也正在应对晶片测试挑战,即必须在比以往更快的电压和电流范围内全面测试小型设备。

在价值链的另一端,电源设计人员正在努力利用 GaN 和 SiC 设备的优点。(电源转换设计)必须重新考虑应用于硅 MOSFET 的经验法则。设计人员正在努力减少半桥开关的死区时间,以便尽量降低开关损耗。能够在整个设计中准确查看和评估动态电压和电流非常关键,但是,却难以实现,因为存在共模电压且上升时间较短。

新的探测技术的出现

新探测技术揭露设计中正在发生(以前隐藏)的事情的详情。

泰克工程师 Seshank Malap 说道:“测试远比过去重要。随着功率密度和效率变得如此关键,人们使用可能最小的设备进行电源转换应用来挑战性能极限。正因如此,测试和测量变得极为关键。您的门电路刚好在您需要时启动吗?您了解通过您的设计获得最佳性能的准确占空比吗?电源设备散热足够吗?”

Shah 补充道:“不止设备,还有整个定时电路。因为那时您必须同时协调和判断许多信号以便查看它们是否合理以及它们有没有在不该启动设备时启动设备。”

Malap 称, 以往的测试工具和技术不足以应对电源设计新趋势。他解释道:“在传统电源转换器设计和测试中,人们在各处看到许多信号测试结果并猜测其他人怎么做。再也不要这么做了。这个主意很差,真的很差,因为您可能导致您的设备炸毁。”

高效,微型化
电源原型版设计及调试

开发周期变短

据数据统计一个电源产品的开发周期由5年前的12-24个月缩短到现在3-6个月的时间。

电源产品体积变小

此外市场要求电源产品体积越来越小,为实现设计的功能,要么引入更小的新器件或者更改新的拓扑结构。如何能在有限的体积排布各种器件并满足功能和散热的要求是考验工程师非常重要的一点。

Battery-life同等功率3年前和现在的电源体积比较图(尺寸小了50%)
在设计过程中不仅要考虑实现功能,还需要考虑整体电源的质量及效率。其中有两个重要的考量点,电源的整体效率和发热问题是工程师最关心的问题,解决办法需要从合适的器件的选择及电源拓扑结构优化着手,所以需要准确定位电源板中主要的功率损耗点,从而通过更换能耗更低的器件或者更加合理的拓扑结构来实现。希望通过可量化的测试来验证理论数据,使其有坚定的信心开始电源设计的下一个阶段。

电源标准越来越严格

Battery-life六级能耗的标准进化图

电源行业标准

电源产品在投放市场前需要满足电源行业的标准及规范,例如我们比较熟悉的能耗等级规范认证,节能认证规范,还有强制的CE 认证等等其他的标准认证。2016年对于能耗等级的规范,美国已经率先开始实施六级能耗,将效率要求提高到88%,待机功耗的要求从300毫瓦 提高到100 毫瓦,中国目前实施的是五级能耗标准,但是出口美国的产品需要必须满足最新的六级能耗才能被允许。美国能源部最新的统计的数字;“发达国家的家庭待机能耗占家庭用电量的5%-10%”,所以相信会对该项目越来越严格,甚至已经出现了零功耗的产品,当然并不是待机功耗为0,而是待机功耗在 <10毫瓦。

Battery-lifeCE 的标识认证
“连接市电的所有电气设备和电子设备都必须满足EN 61000-3-2标准。 这是欧洲‘EMC指令’的一部分,获得CE标识必须满足这一指令。” ——欧洲电源制造商协会
此外还有其他很多的电源行业的标准的要求:
  • 能源之星 / IEC 62301 / EN 50564
    - ( 家用电子设备和办公设备耗电量测量方法- 待机功率)
  • IEC / EN 61000-3-2 ( 预一致性测试)
    - ( 连接市电、最大16A( 含) 的电气设备和电子设备产生的电流谐波测量方法)
  • IEC 61000-4-7
    - ( 规定了在测试谐波和间谐波时测量设备必须怎样运行。与IEC61000-3-2 一起使用)
  • SPECPower
    - ( 经过认证,可以用于一到四个插座的大容量服务器类计算机功耗测试,包括类似的刀片服务器配置。www.spec.org)
  • 其他的电源标准
    - CQC 3146-2014 (LED 模块节能认证。要求300KHz 功率分析仪带宽 - 中国)
    - IEC 62087:2011 (电视机、摄像设备、机顶盒、音频设备和商用多功能设备的功耗)
    - CEC-400-2012-019-(家电效率法规)
Battery-life法规和监管机构

EMC 测试要求

全世界都实施 EMI 法规,旨在为电气和电子设备用户提供更高的可靠性和安全性。如果您正在开发发射电磁干扰或受其影响的产品,则您需要认证自己的产品是否符合 EMI 标准。为了确保符合规定,许多公司历来都采用专业测试设施或测试机构的服务来执行 EMC 预符合性和符合性测试。遗憾的是,使用第三方测试机构可能会导致项目中的产品开发成本和时间大幅增加。更多的公司希望使用预符合性测试来及早发现符合性问题,并提高首次通过全面 EMC 符合性测试的成功率,而无需进行额外重新设计。

Battery-life

国际标准机构国际电工委员会 (IEC) 下属的技术组织 ComitéInternational Spécial des Perturbations Radioélectriques(CISPR) 规定了许多商业 EMI 测量要求。其他标准和认证机构,例如日本的 TELEC,也制定了关于测量方法和认证技术的要求。美国国防部制定了 MIL-STD 461G,其中包括针对军用装备的特殊要求。下表列出了一些适用于不同细分市场的标准。

了解能耗用的更多信息

其他应用的趋势

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