解讀電源三大熱門領(lǐng)域的技術(shù)方案　

作者/ 迎九　王金旺《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：在智能化 、網(wǎng)絡(luò)化的當下時代，各種新型電子產(chǎn)品層出不窮，而在各電子產(chǎn)品中，電源模塊一直都是不可避免的課題，隨著新材料和新工藝不斷涌現(xiàn)、不斷發(fā)展，電源模塊的的各方面性能也不斷得到完善。本次專題就功率器件、光伏和隔離器三個方面，邀請業(yè)內(nèi)專業(yè)人士共同探討電源的發(fā)展和革新。

功率器件與電源模塊

　　電源管理器件需要小尺寸提供高效率

　　開關(guān)穩(wěn)壓器的控制方式一般采用電流控制模式，但是負載電流變動的過渡響應(yīng)特性有時達不到要求的規(guī)格。作為解決對策，可使用滯后控制方式的開關(guān)穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器屬于滯后控制中的一種固定導通時間控制，可反饋輸出電壓生成的紋波電壓波形，并用比較器比較紋波電壓底部和基準電壓后進行開關(guān)控制，據(jù)此將輸出電壓保持到一定水平。反饋電壓低于基準電壓時，生成單脈沖并導通高邊開關(guān)，從而從輸入端向輸出端供應(yīng)電流。用比較器單純地進行比較并逐次進行開關(guān)控制，幾乎沒有反饋控制的時間遲延，所以與電流控制模式相比，可獲得更快速的過渡響應(yīng)特性。

　　H3Reg^TM控制是固定導通時間控制的進化版，是ROHM獨有的控制方式。負載電流急劇增加時，輸出電壓降低;在超過反饋電壓決定的導通時間，輸出電壓也未能超過基準電壓時，通過延長高邊開關(guān)的導通時間提供更多電力，加快輸出電壓恢復的速度。據(jù)此，可得到比固定導通時間控制更快速的過渡響應(yīng)特性。另外，由于負載急劇變化時，開關(guān)次數(shù)少，所以可減少噪聲發(fā)生。

　　工業(yè)應(yīng)用

　　工業(yè)應(yīng)用電源多需要高電壓降壓轉(zhuǎn)換器，以較小的方案尺寸提供高效率，ROHM利用尖端的功率系統(tǒng)工藝和垂直統(tǒng)合型一條龍生產(chǎn)線，面向非常重視可連續(xù)工作的可靠性和長期穩(wěn)定供應(yīng)的工業(yè)設(shè)備市場，開發(fā)出眾多新產(chǎn)品。例如，ROHM面向需要大功率(高電壓×大電流)的通信基站和工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域，開發(fā)出耐壓高達80V的MOSFET內(nèi)置型DC/DC轉(zhuǎn)換器 "BD9G341AEFJ"。BD9G341AEFJ"采用功率系統(tǒng)工藝0.6μm的高耐壓BiCDMOS作為非絕緣型DC/DC轉(zhuǎn)換器，實現(xiàn)了80V的業(yè)界高耐壓水平，在ROHM的DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品陣容中，也是耐壓最高的產(chǎn)品。利用ROHM擅長的模擬設(shè)計技術(shù)優(yōu)勢，在80V級的DC/DC轉(zhuǎn)換器中，還實現(xiàn)了業(yè)界較高的轉(zhuǎn)換效率。與一般產(chǎn)品相比，本產(chǎn)品即使輸出引腳發(fā)生意外短路(接觸)，也可通過保護電路抑制發(fā)熱，從而防止產(chǎn)品受損，因此，有助于提高應(yīng)用產(chǎn)品的可靠性。不僅如此，這些優(yōu)勢僅通過簡單的小型8引腳封裝即可完全實現(xiàn)，可減少安裝面積和周邊零部件數(shù)量。

　　用高密度提升產(chǎn)品性能

　　Vicor以磚式或模塊電源聞名。相比于很多IPM(智能功率模塊)和功率器件等產(chǎn)品，Vicor做的是模塊化電源系統(tǒng)。而IPM，通常是功率器件或電源器件與控制芯片的集成。相比后者，Vicor的磚式或模塊的集成度更高，里面有功率器件、控制芯片與很多信號調(diào)理電路，利用獨特的拓撲結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)高密度、高效和高可靠性。

　　Vicor高密度產(chǎn)品

　　Vicor的AD/DC集成方案是內(nèi)部的兩級拓撲，前級是零電壓開關(guān)的升降壓轉(zhuǎn)換器，后級是零電壓零電流的母線轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。一般的電源轉(zhuǎn)換器都是兩級結(jié)構(gòu)，而Vicor與一般產(chǎn)品對應(yīng)的是單級變換，因此，Vicor的優(yōu)勢是成本較低。但單級效率不太容易提升，Vicor現(xiàn)在的DC/DC已經(jīng)是兩級，使效率和密度都上去了。

　　另外，Vicor的ZVS buck(零電壓開關(guān))轉(zhuǎn)換器采用軟開關(guān)技術(shù)的降壓芯片，不僅如此，升降壓、升壓等也都是零電壓開關(guān)，因而損耗低，開關(guān)頻率可以做到1MHz以上的高頻。

　　數(shù)據(jù)中心：48V直轉(zhuǎn)CPU

　　Vicor已經(jīng)為Intel VR13 48V做了很多年產(chǎn)品。2016年3月9日，谷歌發(fā)布基于48V的方案，并在OCP(開放計算項目)上宣布采用了Vicor方案。另外，在今年召開的Facebook OCT會上，已有客戶明確提出采用48V方案。與此同時，國內(nèi)也有一些廠商在做48V轉(zhuǎn)CPU方案了。

　　目前，本土會有試用48V轉(zhuǎn)CPU方案。國外已出貨幾百萬片(例如谷歌等)。實際上，國內(nèi)的天蝎2.5已包括48V電源，但是48V轉(zhuǎn)12V，預計天蝎3.0今年會發(fā)布，有可能直接接到CPU，有可能有48V母線選項。

　　具體地，Intel的VR13是對CPU的電壓調(diào)整(VR)規(guī)范，涉及動態(tài)響應(yīng)、電壓調(diào)整精度、負載線變化等，指標非常嚴格，近乎苛刻。所以入圍Intel VR13的朋友圈已經(jīng)實屬不易，而Vicor卻可以提供成熟應(yīng)用的方案。

　　實際上，48V轉(zhuǎn)CPU的電壓效率，與12V轉(zhuǎn)CPU的效率差不多，但是輸入48V進來，反向的損耗或母線排上的損耗減少會很多，電流只有其1/4。

　　工業(yè)用電源及電源管理器件的新進展

　　隨著各大行業(yè)的飛速發(fā)展，對工業(yè)電源的可靠性、容量/體積比、安裝等要求越來越高。對此，工業(yè)電源的發(fā)展有以下幾個方面的趨勢：1)更高功率密度，不斷提升轉(zhuǎn)換效率、可靠性;2)便于安裝和擴容，簡化應(yīng)用;3)應(yīng)用數(shù)字信號控制技術(shù)，形成與外界的數(shù)字化通訊接口;4)提高集成度，走向智能化。

　　作為工業(yè)設(shè)備核心器件的工業(yè)電源當以市場需求為導向，著力突破制約電源發(fā)展的關(guān)鍵電路設(shè)計與制造技術(shù)。

　　金升陽各系統(tǒng)中的應(yīng)用方案

　　近幾年，金升陽以解決客戶在實際應(yīng)用中遇到的諸多難題為目標，利用數(shù)百項專利技術(shù)，針對智能電網(wǎng)、新能源、軌道交通、醫(yī)療、充電樁等領(lǐng)域開發(fā)了一系列行業(yè)專用電源，并已經(jīng)成功地應(yīng)用在各個系統(tǒng)中。如：

　　智能電網(wǎng)領(lǐng)域：發(fā)電環(huán)節(jié)，配合新能源開發(fā)，PV系列電源針對1500V光伏系統(tǒng)研發(fā)，適用于光伏匯流箱、光伏逆變器等系統(tǒng);變電環(huán)節(jié)，PV45系列電源針對SVG行業(yè)研發(fā)，可直接從高壓母線取電給控制系統(tǒng)供電;配電環(huán)節(jié)，MBP系列充電電源適用于DTU、TTU等系統(tǒng);智能管理環(huán)節(jié)，LS/LD系列AC-DC電源應(yīng)用于智能電表、儀器儀表中。

　　軌道交通領(lǐng)域：6-150W URB1D/URF1D系列DC-DC電源滿足EN50155鐵標認證，適用于72V、96V、110V 的鐵路車載電子設(shè)備以及軌旁電氣設(shè)備，如鐵路監(jiān)控設(shè)備、空調(diào)控制器、信息顯示屏、門控系統(tǒng)等。

　　醫(yī)療領(lǐng)域：G(H)_S系列DC/DC電源和LH-MU系列AC-DC電源滿足第三版醫(yī)療認證，適用于注射泵、多功能監(jiān)護儀、營養(yǎng)箱等診斷類或輔助類醫(yī)療器械。

　　充電樁領(lǐng)域：CAN/CAN-FD/RS485系列通訊模塊、寬壓DC-DC模塊、LO/LM/LI系列AC-DC模塊等適用于直流充電樁和交流充電樁系統(tǒng)。

　　汽車電子領(lǐng)域：CF系列DC-DC電源符合AEC-Q100設(shè)計標準，適用于車用通訊系統(tǒng)電機控制器、發(fā)動機控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)(BMS)等系統(tǒng)。

　　電源管理的智能化是大勢所趨

　　Maxim Integrated TTS Asia應(yīng)用工程師經(jīng)理魏智認為，電子產(chǎn)品小型化是許多領(lǐng)域的共同主題，消費類電子從便攜到可穿戴;工業(yè)4.0帶動了尺寸更小、功能更強大的uPLC需求。輕、薄、小是各大品牌推廣產(chǎn)品的關(guān)鍵詞，而支撐市場發(fā)展的背后離不開電源管理技術(shù)的進步。功率密度的不斷提升，電源管理的高度智能化是電源技術(shù)發(fā)展的大勢所趨。無論是大功率數(shù)據(jù)中心、中等功率的工業(yè)應(yīng)用，還是低功耗便攜設(shè)備，單位面積能夠產(chǎn)生的輸出功率都是非常重要的指標。為此，我們始終在先進工藝、封裝技術(shù)、設(shè)計和系統(tǒng)架構(gòu)上不斷創(chuàng)新。Maxim最新推出的MAX17222 nanoPower boost，具有業(yè)內(nèi)高效率和300nA低靜態(tài)電流(IQ)，相比同類產(chǎn)品可減少多達50%的方案面積，并提供95%的峰值效率，使發(fā)熱降低。幫助可穿戴及消費類IoT設(shè)計在更小尺寸內(nèi)實現(xiàn)更強大的功能與性能，獲取更長的電池壽命。

　　低功耗系統(tǒng)管理

　　提升吞吐率是工業(yè)、數(shù)據(jù)中心、消費類電子，甚至汽車電子等應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵，而實現(xiàn)這一目標的核心技術(shù)在于低功耗系統(tǒng)管理。電源管理器件是Maxim銷售收入的重要來源，我們不僅在消費類產(chǎn)品提供領(lǐng)先的解決方案，同時也致力于汽車、工業(yè)、通信和數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)，提供高性價比電源產(chǎn)品。

　　在汽車領(lǐng)域，電子零部件使用比例的增加不僅帶動了PMIC需求的上升，還促進了汽車銷量的提升。同時，電動和混合動力汽車也對PMIC提出了新的需求和挑戰(zhàn)。Maxim的汽車電源可以工作在低至3.5V，甚至2V的輸入電壓環(huán)境下，同時可承受高達40V/42V的拋負載電壓。99%的占空比確保汽車起?；蚶鋯邮潜３址€(wěn)定的輸出電壓。較高的工作頻率以及擴頻模式，既可避開對AM波段的干擾，又可以解決EMI問題，并允許使用小尺寸外部元件。

　　在大數(shù)據(jù)和云計算領(lǐng)域，數(shù)據(jù)中心的革命正在進行——越來越多的企業(yè)服務(wù)器遷移到了云端。這一革命驅(qū)動著新系統(tǒng)架構(gòu)和商業(yè)模式的衍生，并推動著云計算和大數(shù)據(jù)應(yīng)用對PMIC需求的提升。Maxim的電源管理方案能夠幫助用戶從容應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。

光伏

　　中國市場需要創(chuàng)新應(yīng)用

　　中國光伏市場的起步略滯后于國際上領(lǐng)先的歐美國家，但發(fā)展迅猛，在相當短的時間里，集中式逆變器技術(shù)和電站安裝量都處于世界領(lǐng)先地位。集中式逆變器技術(shù)發(fā)展來自于專業(yè)的光伏逆變器企業(yè)，以及不間斷電源和風電變流器企業(yè)。他們在市場迅猛發(fā)展靠的是以前的技術(shù)積累，而且這些年輕的企業(yè)有著很強的創(chuàng)新精神，沒有沿襲國外逆變器的傳統(tǒng)設(shè)計，而采用了來自英飛凌的新技術(shù)，如PrimePACK?3和 EconoDUAL?3等功率半導體新技術(shù)，使得中國光伏逆變器的市場競爭能力前所未有地強大。

　　光伏系統(tǒng)朝著1500V直流方向發(fā)展，針對新的應(yīng)用，我們會準備全新的技術(shù)方案。采用IGBT5 .xt技術(shù)的新一代PrimePACK?3可以使得單機容量做到1MW以上，真正體現(xiàn)1500V光伏系統(tǒng)的價值。為推動1500V光伏系統(tǒng)技術(shù)，我們在和有設(shè)計咨詢能力第三方實驗室及認證機構(gòu)合作，服務(wù)于整個產(chǎn)業(yè)鏈。