如何通過高壓創(chuàng)新重新定義電源管理

高壓創(chuàng)新為何如此重要?這是我們常聽到的問題，而答案可能會讓你大吃一驚。最近，我與我的同事ChrisSchairbaum就如何通過高壓創(chuàng)新重新定義電源管理的問題共同撰寫了一篇白皮書。我們在這篇白皮書中回答了一些客戶常常詢問有關(guān)高壓的問題。

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問：高壓創(chuàng)新如何對不斷增加的電力需求產(chǎn)生影響?

答：高壓創(chuàng)新旨在提高電力傳輸和轉(zhuǎn)換的效率，從而降低電源和終端設(shè)備之間的功耗。這些創(chuàng)新帶來發(fā)電方式的改變，例如，引入了可再生能源，并且提升了電機(jī)和致冷設(shè)備等耗電量較大設(shè)備的節(jié)電性能。所有這一切使能效穩(wěn)步上升，從而降低成本，并且減少溫室氣體排放。

問：半導(dǎo)體和集成電路在哪些方面適合高壓方程式?

答：先進(jìn)的半導(dǎo)體元件是讓發(fā)電、輸電和電力使用更加高效的最重要技術(shù)之一，并且這項(xiàng)技術(shù)還在不斷發(fā)展中。用集成電路(IC)實(shí)現(xiàn)的智能控制和碳化硅、氮化鎵等全新功率半導(dǎo)體材料的使用可以用最小的損耗實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換和管理。此外，智能集成電路硬件可以在電網(wǎng)、工廠、住所、汽車和其他系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)通信功能，并且更加高效地監(jiān)測和控制系統(tǒng)的電力使用量。此外，作為電源和電池充電器的骨干，電源集成電路是實(shí)現(xiàn)便攜式電子設(shè)備快速普遍增長的一個重要因素，在提高效率的同時，也帶來了便利性。

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“所有這一切使能效穩(wěn)定上升，從而降低成本，并且減少溫室氣體排放。”

問：為什么要將注意力放在高壓上?

答：從電源到終端應(yīng)用，每一個電壓轉(zhuǎn)換步驟都涉及功耗。因此，電力轉(zhuǎn)換是一個黃金機(jī)會領(lǐng)域。另外，在其他條件相同的情況下，與較高電壓相較而言，在輸電過程中，較低電壓會帶來更高比例的功率損耗。由于這些原因，最有效的方法就是，在使用最大限度降低功耗的轉(zhuǎn)換方法對高壓進(jìn)行降壓操作前，盡可能地使高壓靠近，或者直接進(jìn)入終端設(shè)備。設(shè)備和用戶附近的高壓也需要一些額外的方法對機(jī)器和人體進(jìn)行保護(hù)。

問：為了在高壓條件下創(chuàng)造更高的效率，我們應(yīng)該注意什么類型的電源?

答：開關(guān)模式電源(SMPS)在電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)域逐漸發(fā)展壯大，其原因在于它們的固有效率要高于傳統(tǒng)線性電源設(shè)計(jì)的效率。然而，改進(jìn)SMPS設(shè)計(jì)是一項(xiàng)不會停止的藝術(shù)。這些電源在高頻時產(chǎn)生電流，必須防止這些高頻率傳播到系統(tǒng)的深處，以及逃離回到電源中。此外，電源內(nèi)運(yùn)行的靈敏器件容易受到內(nèi)部阻抗和周圍組件干擾的影響。由于這些原因，SMPS解決方案盡可能將更多的系統(tǒng)集成在內(nèi)，這樣可以幫助降低電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并有助于降低制造成本。如果這個解決方案能夠?qū)⑿⊥庑纬叽绲母綦x和功率電路包含在內(nèi)，那么效果會更好，因?yàn)樗�能夠有效地為系統(tǒng)屏蔽外部干擾，并防止高頻從系統(tǒng)內(nèi)遷移到線路上。

問：什么樣的新材料在這個領(lǐng)域提供創(chuàng)新機(jī)會?

答：制造商正將目光轉(zhuǎn)向氮化鎵(GaN，構(gòu)建在硅基板上)和碳化硅(SiC)等新材料，以便在高電壓條件下實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度和更高效率。除了開發(fā)眾多的硅基解決方案外，TI還開發(fā)了數(shù)款針對GaN開關(guān)的柵極驅(qū)動器，并且開始引入高級多芯片模塊(MCM)，這些模塊既包含柵極驅(qū)動器，又包含GaN電源開關(guān)。

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“從電源到終端應(yīng)用，每一個電壓轉(zhuǎn)換步驟都涉及功耗。因此，電力轉(zhuǎn)換是一個黃金機(jī)會領(lǐng)域。”

問：MCM如何能夠幫助重新調(diào)整高壓電源，以適應(yīng)終端設(shè)備內(nèi)部的電路板?

答：無論何時，如果因?yàn)槭褂昧瞬煌�工藝進(jìn)行功能構(gòu)建，從而使全系統(tǒng)集成過于昂貴或無法實(shí)現(xiàn)的話，那么將兩個或多個器件集成到MCM中就是一個可行的解決方案。除了節(jié)省空間之外，單芯片和MCM解決方案可提高功率密度，并減少對繞組和散熱片等無源材料的需要。該解決方案還簡化了設(shè)計(jì)，因?yàn)樗鼈兿�除或最大限度地減少那些使電源設(shè)計(jì)很難進(jìn)行下去的復(fù)雜內(nèi)部阻抗。

問：如何在SMPS設(shè)置中對柵極驅(qū)動器和電源開關(guān)進(jìn)行精確控制?

答：全新SMPS設(shè)計(jì)中的高頻率至少需要UCD3138控制器等高性能狀態(tài)機(jī)提供的數(shù)字控制。更靈活的設(shè)備是C2000™32位微控制器(MCU)。這兩款設(shè)備通過多種高分辨率脈寬調(diào)制(PWM)輸出提供可編程定時控制。單個C2000MCU或UCD3138控制器可以處理多級功率轉(zhuǎn)換的閉環(huán)控制和諸如保護(hù)、測量和通信等其它系統(tǒng)功能。除了提供精密的計(jì)時技術(shù)外，這些控制器具有高分辨率模數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器，可快速保護(hù)隔離信號測量和高速模擬比較器。創(chuàng)新型軟件工具可以幫助電源設(shè)計(jì)人員了解如何開發(fā)數(shù)控SMPS系統(tǒng)的閉環(huán)控制功能，從而簡化從傳統(tǒng)的模擬控制方式向數(shù)字控制的轉(zhuǎn)換工作。