功率部分

能效

始终开启的设备

功率电子涵盖范围广泛,从纳瓦到千瓦。但是,所有功率级的设计均具有同一目标,即提高效率。在本文中,泰克工程师将分享他们关于新兴功率设计趋势的观点。

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。

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其中,许多设备将无法接入电网,所有设备将需要始终开启,至少在某种程度上。IoT 的此种持续、始终开启的特性要求使用新电源管理和测量解决方案。泰克工程师 Jay Shah 说道:“如果您将设计始终挂在油井钻机中的 IoT 设备,则没有工作电源,可能仍然需要使用电池供电。所有 IoT 设备的功耗因素极为关键。

Battery-life在深度休眠下,功耗降至纳安和皮安范围。
在深度休眠模式下,许多 IoT设备的耗电量仅为纳安和皮安范围,但是,在测量和传输时,它们可以消耗数安的电量。
Shah 解释道:“显然,确定这些设备的功耗无疑非常关键,但是,IoT 传感器的工作范围较大,因此,检定功率分布图也极具挑战。”

国际标准竞赛

为了应对气候变化,许多政府将开发全新、更严格的效率标准。不幸的是,这些标准的快速发布速度和参与方数量足以让经验最丰富的设计人员无所适从。例如,被亲切地称为“壁瘤”或“砖块”的外置电源 (EPS) 的效率标准。

Battery-life降低备用电源中的电平
在 2016 年,美国能源部 (DOE) 提出新效率标准。现在,欧洲将凭借严格的生态设计规定走的更远。因此,设计人员将努力实现更高效率,这需要进行更多测试,尤其对于电源来说。
标准竞赛不只限于外置电源。还针对电器、工业设备和 HVAC 设备不断发布全新或修订的标准。这些标准源自不同机构,每个标准都有自己的管辖范围。除了美国和欧洲机构,中国质量认证中心也积极制定标准。加州能源委员会针对可能超过美国 DOE 的标准的能源标准采取积极主动的对策。每项标准均为动态文档,因此,设计人员必须跟上潮流。

汽车电气化

在汽车市场中,将出现调整功率电子要求的另一趋势。汽车业中的许多人均预测,电动汽车最终将取代内燃动力车。DC-AC 转换器和电池管理系统对于这些汽车中的牵引系统至关重要,但是,汽车业仍有几个不那么明显的趋势。

随着电子元件在现代汽车的渗透,设计人员不得不严密管理能耗。IoT 的“始终启动”难题在汽车模块中也仍然存在。即使汽车已经熄火,许多系统仍然继续在睡眠模式下工作。(事实上,许多人将争论汽车是否属于最复杂“互联网物品”!)即使在内燃机汽车中,设计人员仍然被迫在不消耗电池的情况下提供新安全和舒适性标准。

在推出全电动汽车的过程中,我们很可能遇到各种形式的混合动力车。这些汽车采用复杂的电源转换和管理系统。与即将过时的 12 伏系统相比,未来的 HEV 和 EV 将采用多条电源总线。在电量流过启动器/发生器、再生制动器、电池乃至太阳能电池时,一些汽车可能需要双向 DC-DC 转换。

向 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。

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。
Isovu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?电源设备散热够多无需冷却吗?”
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,旧测试工具和技术完全不足以改变电源设计的趋势。他解释道:“在传统电源转换器设计和测试中,人们将在各处看到许多信号并猜测其他人怎么做。再也不要这么做了。此主意很差,真的很差,因为您可能让设备炸毁。”

玩转第六波

世界变得越来越紧密。随着我们的技术不断变化来适应此情况,我们的工程工具和技术也必须适应此情况。一旦无法测量关键值和确保重要设备正常运转,我们的进展不会太多。

Malap 说道:“这些挑战均让您重新思考如何优化能耗和总功率处理,我认为这在目前相当有吸引力。”

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其他应用的趋势

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