解決電源管理挑戰的5大趨勢

作者 : Saumitra Jagdale,Open Cloudware創辦人

如今,電源管理已成為一個重要領域,研究人員專注於在提高功率密度和工作頻率的同時將損耗降至最

當今各行各業都需要速度更快、效率更高的電子產品,以便能在幾秒鐘內處理大量數據。但這一需求是以增加功耗為代價的,這就大大增加了執行這些電子系統所產生的費用。電費約佔執行全尺寸資料中心費用的45%。一個中等規模的資料中心可能需要大約50MW的電力容量,這足以為4000戶家庭供電。由於產生這些能量使用了大量不可再生資源,消耗這些能量對環境帶來了很大的壓力。因此,我們需要高效的電源管理解決方案來因應這些挑戰。

電動車(EV)和智慧型手機等產業一直在研究延長其產品電池壽命的技術。如今的消費者需要提供不間斷的服務,同時又要做到更便宜、更安全和更高效。因此,電源管理已成為當今的一個重要領域,研究人員致力於透過提高工作頻率並同時最大限度地減少損耗來提高半導體IC的功率密度。他們正在開發基於氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)的更新IC來促進高頻操作。除了更新的化合物,德州儀器(TI)等領先電子元件製造商也正使用改進的製程、封裝和電路設計技術來滿足電源管理的工業需求。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訊號的完整性。

高效的電源管理包括增加電子產品的功率傳輸能力,同時最大限度地減少損耗並保持訊號完整性。製造商們正在尋求利用五個主要趨勢,以便為消費者提供最先進的電子產品來滿足他們的需求。這五個趨勢是:

  • 增加功率密度;
  • 降低靜態電流(IQ);
  • 降低電磁干擾(EMI);
  • 降低雜訊以提高精度;
  • 透過隔離提高在高壓(HV)下工作的安全性。

增加功率密度

增加傳輸功率通常需要增加所用電子產品的尺寸,以便防止過熱並解決損耗問題。然而,由於在電動車、智慧型手機以及其他消費和商用電子產品等各種應用中,可用於容納電子元件的空間有限,因此增加尺寸並不可行。因此,設計人員需要在提高效率和散熱性能的同時加入更多電子元件。提高工作頻率有助於提高功率密度並減小電感器、電容器和變壓器等無源元件的尺寸,但提高工作頻率會受到較高的開關損耗、反向恢復損耗、高導通損耗和關斷損耗以及散熱性能等因素的限制。

Figure 1: HotRod packaging eliminates bond wires while maintaining excellent thermal performance

1HotRod封裝消除了打線接合,同時保持出色的散熱性能。

因此,要達到以前無法達到的功率密度限制,必須單獨解決上述每個限制因素——減少開關損耗,提高封裝散熱性能,採用創新拓撲和電路,並最終將它們整合起來以形成封裝。

為了減少開關損耗,業界將GaN和SiC等新型化合物用於高壓和高頻應用。 GaN表現出零反向恢復、低輸出電荷和更高的電壓轉換速率等特性,因此能實現一些矽基MOSFET所無法實現的新拓撲,從而提供更高效率。

例如TI利用GaN的特性來提供更低的損耗並實現更高的開關頻率。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開發了HotRod封裝技術,也即用覆晶封裝取代了典型使用的打線接合方形扁平無接腳封裝(QFN),從而顯著降低了寄生迴路電感,進而有助於減少發熱。

降低靜態電流

IQ是電路受到啟用但不支持或未運行負載時所使用的電流量。最小化IQ對於降低功耗和延長電池壽命很重要。不連續運行的物聯網系統會使用大量IQ為不同的板載模組供電,因此要延長電池壽命,就需要仔細最佳化IQ。但降低IQ也有其缺點——低IQ電流意味著裝置的瞬態響應時間會增加。這是因為IQ的幅度較低會造成內部寄生電容花費相對較長的時間來充電。

Figure 2: Fast wake-up and low standby power

2:快速喚醒和低待機功耗。

一種降低IQ可行的方法是根據負載電流設置不同的省電模式。雖然這些模式之間的切換是自動的,但當以較低的IQ運行時,在這些模式之間切換所需的轉換時間會顯著增加,從而導致輸出電壓出現誤差。透過使用超低漏電元件和新型拓撲結構,TI可以實現低待機功耗。為了實現更快的響應時間,TI使用了快速喚醒電路和自適應偏置,同時保持了較低的靜態電流。

降低電磁干擾

EMI是由於附近有其他電磁裝置運行而導致的電氣通路中不期望的雜訊和干擾。當不同的製造商製造不同的元件而用於一個封裝時,他們會嘗試將其保持在一定的限度內。TI使用先進的擴頻技術來減輕EMI所產生的影響。為了進一步提高較低頻譜中的抗EMI能力,TI在其許多元件中都使用了主動EMI濾波方法。擴頻方法使用能量守恆原理來分散EMI峰值而將其分散在多個頻率上。

Figure 3: Reducing radiated noise by in-package high-frequency capacitor integration

3:透過將高頻電容器整合到封裝內部降低輻射雜訊。

降低雜訊以提高精度

高精度系統需要對系統參數進行精確監控,這反過來又需要參考訊號具有低雜訊失真。為了最大限度地提高系統的可靠性和性能,電源鏈路中訊號的監控、調節和處理至關重要。為了提高精度並減少失真,TI使用專門的製程元件以及先進的電路和測試技術。對於電動車的電池監控、測試和測量以及醫療等應用,TI使用最先進的電源處理技術來提高精度,最大限度地減少失真並降低線性和開關電源轉換器的雜訊。

透過隔離提升高壓工作的安全性

電氣隔離是AC和DC或高壓AC/DC和低壓AC/DC兩個電路之間的隔離。這樣做是為了保護低壓側或DC側免受高壓側所可能發生的突波和故障影響。電流隔離是電子產品中最常用的隔離,它可以將兩個域隔離,而同時又能支援電力和訊號跨隔離閘傳輸並提供抗雜訊能力。SiO2隔離電容和整合變壓器等TI先進的隔離技術超越了所有全球標準,同時提供了卓越的性能。

總結

世界各地的製造商都在透過優先考慮電源管理來提供可持續的解決方案,同時滿足對更快、更高效的電子裝置日益成長的需求。本文介紹業界主導廠商在製造低功耗、高性能電子元件時所遵循的五大趨勢。

編譯:Ricardo Xie

(參考原文:Top 5 Trends in Solving power Management Challenges,by Saumitra Jagdale)

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