電源管理詮釋節(jié)能

　　直面設(shè)計挑戰(zhàn)

　　幫助工程師提升電源設(shè)計效率，一直是半導(dǎo)體廠商與電源系統(tǒng)工程師最關(guān)注的問題。進一步提高能效依賴于半導(dǎo)體器件，電路拓撲結(jié)構(gòu)和封裝技術(shù)的新發(fā)展或優(yōu)化選取。

　　首先，從器件方面，功率型金屬氧化物場效應(yīng)管(MOSFET)一直以來在小功率應(yīng)用方面占主導(dǎo)地位。溝道柵極技術(shù)已普遍于低壓MOSFET以減小通態(tài)電阻從而降低損耗。而在未來幾年里，溝道柵極技術(shù)有向較高電壓MOSFET推廣的趨勢。所以這對于300V 以上的功率型MOSFET管是一個新變化。近些年來超結(jié) (Super Junction) MOSFET發(fā)展也很快，對應(yīng)于傳統(tǒng)的500V 以上的平面MOSFET在通態(tài)電阻和電流密度方面具有競爭力，但是它的動態(tài)開關(guān)特性還是弱于平面MOSFET，從而使高頻高電壓應(yīng)用仍然偏向傳統(tǒng)型的MOSFET。另外寬禁帶MOSFET器件，例如氮化鎵 (GaN) 和碳化硅(SiC) MOSFET 在研發(fā)中不斷取得的成就也表明這些新型的復(fù)合半導(dǎo)體器件會逐步走向商用化，極大提升系統(tǒng)能效，改變硅半導(dǎo)體目前在市場上的一統(tǒng)局面。

　　其次，工程師可以靈活運用各種各樣的拓撲結(jié)構(gòu)以提高系統(tǒng)效率。像現(xiàn)在通信電源和服務(wù)器電源設(shè)備中常用的零電壓開關(guān)相移式全橋結(jié)構(gòu)就是新拓撲加新控制的典范。在太陽能功率變換中，三電平二極管鉗位逆變器具有低成本、高效率的特點，作為一種新興的電路拓撲結(jié)構(gòu)能在特定應(yīng)用場合下提高能效。

　　最后，優(yōu)化半導(dǎo)體器件或電路的封裝也是提高系統(tǒng)能效的一種積極手段。關(guān)于這點常常被人們忽視。優(yōu)化的封裝可以直接改善電路中的雜散參數(shù)，例如寄生電感，從而優(yōu)化電特性。實踐表明緊湊的封裝不僅減小電路體積，更重要的是能減小開關(guān)過程中的電壓電流尖峰。使用相對低電壓等級的器件將有利于減少損耗。另外，優(yōu)化的封裝可改善系統(tǒng)散熱，以減低電路或器件的工作溫度，從而進一步降低損耗。

　　概括地說，從系統(tǒng)角度出發(fā)，認真選擇與優(yōu)化器件，電路與封裝配合優(yōu)化的控制方法就一定能最大限度地降低損耗，提升系統(tǒng)能效。

　　凌力爾特公司電源產(chǎn)品市場總監(jiān)Tony Armstrong介紹，任何系統(tǒng)中的功耗都必須以兩種方式解決，首先，跨整個負載電流范圍最大限度地提高轉(zhuǎn)換效率，其次，降低 DC/DC 轉(zhuǎn)換器在所有工作模式時的靜態(tài)電流。因此，為了在降低系統(tǒng)功耗方面發(fā)揮積極作用，電源轉(zhuǎn)換和管理 IC 必須提高效率，也就是降低功耗，并在輕負載和休眠模式具有非常低的功耗水平。特別是很多大功率系統(tǒng)都采用多種單階轉(zhuǎn)換或兩階轉(zhuǎn)換方法的組合來應(yīng)對有關(guān)的熱量問題。然而，系統(tǒng)設(shè)計師面臨著一個以哪種方式來滿足特定系統(tǒng)需求的難題。電壓不斷下降的同時提高電流的需求日益增加，這持續(xù)促進了很多這類大功率系統(tǒng)的開發(fā)。在這一領(lǐng)域取得的大多數(shù)進步都可以追溯到電源轉(zhuǎn)換技術(shù)領(lǐng)域的改進，尤其是電源 IC 和電源半導(dǎo)體的改進。總之，這些組件允許在對電源轉(zhuǎn)換效率影響最小的情況下提高開關(guān)效率，對提高電源性能做出了貢獻。這是通過降低開關(guān)和接通狀態(tài)的損耗、同時允許高效率去除熱量而得以實現(xiàn)的。不過，向較低輸出電壓遷移給這些參數(shù)施加了更大的壓力，這反過來又導(dǎo)致了極大的設(shè)計挑戰(zhàn)。