毫無疑問地,電源在調節、傳輸和功耗等各方面都成為日益重要的話題。人們期望產品功能日趨多樣、性能更強大、更智慧且外觀更酷炫,業界看到了關注電源相關問題的重要意義。展望2019年,包括密度、EMI和隔離(訊號和電源)等三大廣泛議題最受關注。

實現更高密度:在更小空間中擠進更多電源管理

由於IC製程微影和每個功能運行功率的大幅縮減,使得晶片上可整合更多功能和閘極,對成品的總體功率需求迅速增加,如圖1所示。有些處理器現在可以消耗幾百安培電流,並且可以在不到一微秒的時間內從低電流狀態上升到完全啟動狀態。透過降低損耗和提高熱性能實現「在硬幣大小的面積上達到kW級功率」的密度目標並非易事。

圖1:從1992~2010年的產品熱密度發展趨勢
(來源:IEEE GlobalSpec)

問題不僅在於管理功率以及因此產生的功耗。由於存在基本的I2R損耗,即使在電源負載路徑中明顯「可忽略」的電阻也成為了有效功率輸送的主要障礙:在200A時,僅1mΩ的引線/走線電阻可導致0.2V IR壓降和40W損耗。此外,由於可以靠近負載放置,讓使用較小轉換器也存在兩難問題——一方面有利於減少走線損耗和雜訊拾取,但也成為負載附近的一個發熱源,導致溫度升高。

與功率密度相關的趨勢:單一種「靈丹妙藥」可能無法解決密度的兩難。解決方案必須包括跨學科的各種進展,才能達到:

  • 更高頻率的開關;
  • 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;
  • 新的封裝類型;
  • 將被動元件整合到晶片上或封裝中

降低EMI:放射導致性能不確定性與拒斥調節

圖2:禁用和啟用擴頻的雜訊比較
(來源:TI)

隨著電子產品更廣泛、更深入地擴展到大眾市場應用中,降低EMI已成為一項更重要的問題,快速瞭解一下當今的汽車就能證明。實際上,由於難以抑制AM波段EMI,一些電動車/混合動力車(EV/HEV)不再提供AM無線電選配。當然,汽車中的EMI不僅僅會影響無線電,還會影響任務關鍵型的先進駕駛輔助系統(ADAS)功能,如自動巡航控制雷達。

對設計人員來說,EMI方面的挑戰在於它通常更像是一門藝術,而非一門科學。建模是一個難題,其解決方案通常需要反覆試驗才能將其降至所需的最大值。此外,EMI並非單一實體,而是具有不同的來源、路徑和外觀。例如,引線佈線和電路板(PCB)佈局通常會產生較強的輻射EMI,而轉換器設計和被動濾波器網路則會產生更強的傳導差分模式EMI。

與EMI相關的趨勢:被動濾波器之類的解決方案是可使用且可能非常有用的,但它們在尺寸、重量和成本的可削減區域內僅能達到一定水準。更大的機會在於IC供應商如何從源頭解決EMI問題,從而提供更好的結果並強化易用性,以滿足必要的合規標準要求。

這些解決方案詳細介紹了雜訊的基本原理,並將降噪技術進行了分層:

  • 增加使用擴頻技術來擴散雜訊能量,從而降低其於整個頻譜上的峰值(圖2);
  • 封裝,包括整合被動元件,可減少開關時引起電壓尖峰和振鈴的寄生效應;
  • 調變功率元件閘極驅動,以減少產生雜訊的dV/dt迴轉,同時不影響效率。

增強隔離:確保A點與B點之間無電流路徑

儘管電氣隔離技術已經使用了很多年,但新手工程師通常對其瞭解甚少。簡而言之,它提供了一個屏障,因此在輸入和輸出級之間並沒有歐姆(電流)路徑,但允許電源和訊號能量通過該屏障。實現隔離的方法很多,包括光學、磁性、電容或小型RF耦合,如圖3。

圖3:電氣隔離類型
(來源:IEEE GlobalSpec)

電流隔離最常成為以下兩個主要目的之一。首先,它為具有內部潛在危險性高電壓系統的使用者提供了安全性,它可以確保系統中存在任何內部故障時,都無法影響到用戶。其次,它實現了一大類創新型電源系統架構,其中初級側和次級側之間必須沒有可能的共用電流,例如當一側接地時,另一側處於不接地連接的「浮動」狀態。

人們對於隔離的需求受到各種情況的驅動,例如工廠自動化、廣泛的人機介面(HMI)、太陽能電池板和醫療儀器。氮化鎵(GaN)和碳化矽(SiC)功率元件的dV/dt額定值較高也推動了具有挑戰性的隔離要求。

與隔離有關的趨勢:隔離可以僅用於電源軌、訊號線(資料)或同時用於兩者。理想情況下,IC供應商可以將電源和資料隔離整合在同一封裝中,以確保安全性和可靠性。此外,由於整合了資料和電源隔離功能,IC供應商可以針對這些應用中典型的嚴苛EMI標準更有效地進行控制和設計。

所需的隔離級是應用的一大功能:5kV增強隔離在許多情況下已經足夠,並且有詳細的產業標準加以定義。

由於具有卓越的共模瞬態抗干擾度(CMTI)性能和資料完整性,使用隔離電容進行資料傳輸是一種普遍的方法。然而,由於可傳輸的功率有限以及效率,對於大多數功率傳輸應用來說隔離電容並不可行。因此,當需要功率傳輸時,磁性方法成為了優選方案。結合這兩種方法,可以在同一封裝中實現完全「自偏置」收發器等解決方案,同時具有隔離電源和資料連接。此類產品和技術創新真正改變了在這些安全關鍵應用中的遊戲規則。

結論

電源功能、元件和傳輸方面的進步是跨學科的,因為密度、EMI和隔離密切相關。例如,降低EMI會導致被動濾波器的尺寸減小,從而獲得更高的功率密度。許多的進步將來自「堆疊」創新,從而帶來更多重大的技術發展。其中包括充份表徵的寬能隙(WBG)功率元件、改善的熱介面、增強的被動元件和功能整合、先進製程技術的開發以及創新的電路IP等。