如何通過高壓創(chuàng)新重新定義電源管理

雖然這些挑戰(zhàn)需要我們使用多種政治和經(jīng)濟(jì)手段來有效應(yīng)對，不過有一種技術(shù)手段正日益顯示出其重要性。高壓創(chuàng)新手段能夠使電能的傳輸和轉(zhuǎn)換更加高效，從而降低電源和終端設(shè)備間的功率損耗。

這些創(chuàng)新手段為發(fā)電方式帶來改變，例如引入可再生能源，并且提升電機(jī)和制冷設(shè)備等耗電量較大設(shè)備的節(jié)電性能。這使得能源效率穩(wěn)步上升，降低成本，并減少溫室氣體排放。

即使是微小的效率提升也能帶來顯著的影響。美國能源信息署（EIA）在其2015年中期預(yù)測中估測：到2040年美國的發(fā)電量將增加24%——每年增加約1%。EIA還預(yù)測，美國的發(fā)電量中，有大約6%的電能浪費(fèi)在供電和配置方面——近幾年每年浪費(fèi)的電量超過1400萬兆瓦時(shí)。通過提高效率，節(jié)省一部分浪費(fèi)電量，便可降低所需的總發(fā)電量。

先進(jìn)的半導(dǎo)體是使發(fā)電、輸電和耗電更加高效的最重要的技術(shù)之一，這項(xiàng)技術(shù)還在不斷發(fā)展中。使用集成電路實(shí)現(xiàn)的智能控制和新型功率半導(dǎo)體材料可以在最小損耗情況下，實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換。智能集成電路硬件可以讓電網(wǎng)、工廠、住宅、汽車和其他系統(tǒng)進(jìn)行高效通信，以及高效控制系統(tǒng)的電力使用。另外，作為電源和電池充電器的骨干，電源管理電路是實(shí)現(xiàn)便攜式電子設(shè)備快速發(fā)展的一個(gè)重要因素；在提升效率的同時(shí)，讓生活更加便捷。德州儀器（TI）充分利用其設(shè)計(jì)、制造和封裝的專業(yè)技術(shù)，創(chuàng)造高壓模擬和混合信號(hào)解決方案。這些解決方案在未來幾年將把功效提升至全新水平。

為什么將重點(diǎn)放在高壓上？

電壓的變化范圍很大，發(fā)電廠的電壓可以高達(dá)幾萬伏，區(qū)域輸電線路上則低至不足1伏，這些電壓由嵌入式處理器等高速數(shù)字組件在內(nèi)部使用。在配電線路上分布著很多中間電壓電平，對消費(fèi)者來說，最熟悉的是110/120伏和220/240伏電壓。 對于住宅、商業(yè)、工業(yè)和汽車應(yīng)用而言，高壓的范圍從幾十伏到幾百伏不等；包括從比電子電路高出一點(diǎn)的電平到運(yùn)輸和工業(yè)設(shè)備中所使用的電平。

據(jù)市場調(diào)查公司IHS的研究數(shù)據(jù)，在所有電壓電平上運(yùn)行的電源管理集成電路代表對集成電路供應(yīng)商的巨大需求——這一領(lǐng)域每年金額高達(dá)300億美元。全新的集成電路產(chǎn)品市場不斷涌現(xiàn)，比如說AC/DC轉(zhuǎn)換器、逆變器、雙向轉(zhuǎn)換器和DC/DC轉(zhuǎn)換器。能夠提供高集成度、高功率密度以及高智能化的集成電路解決方案可以進(jìn)而提高系統(tǒng)的整體性能。

功率轉(zhuǎn)換是黃金發(fā)展領(lǐng)域，因?yàn)閺碾姀S到終端應(yīng)用，每一次電壓轉(zhuǎn)換都涉及功率損耗。另外，在相同條件下，輸電過程中低壓的功率損耗高于高壓。出于這些原因，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)行降壓操作之前，盡可能地使高壓接近甚至直接進(jìn)入終端設(shè)備。設(shè)備和用戶附近存在高壓時(shí)，也需要對機(jī)器和人體采取額外的保護(hù)措施。

“設(shè)備”一詞往往讓人聯(lián)想到工廠車間，實(shí)際上，諸如電機(jī)、機(jī)器人和中央控制系統(tǒng)等工業(yè)應(yīng)用是電源創(chuàng)新的重要領(lǐng)域。目前，全球的各個(gè)行業(yè)都在經(jīng)歷智能自動(dòng)化轉(zhuǎn)型，這次轉(zhuǎn)型的到來是如此之快，以至于一些人將其稱為“第四次工業(yè)革命”（前三次分別為蒸汽機(jī)、大規(guī)模生產(chǎn)和早期自動(dòng)化）或工業(yè)4.0。在這次轉(zhuǎn)型中，其中，所謂的“智能工廠”起到了決定性作用，它代表了更高機(jī)器智能和更強(qiáng)系統(tǒng)通信能力的可行性。智能工廠的首要目標(biāo)是通過使用更少的能量實(shí)現(xiàn)更多的功能，提高生產(chǎn)力，并降低成本。

但是，工業(yè)并不是提高電源效率技術(shù)的唯一目標(biāo)行業(yè)。能夠從中受益的其它領(lǐng)域還包括用于太陽能和風(fēng)能發(fā)電的逆變器、數(shù)據(jù)中心與電信基礎(chǔ)設(shè)施。電池電壓約為400伏的電動(dòng)汽車的充電和運(yùn)行也依靠高壓電子器件。另外，各種新興的移動(dòng)設(shè)備市場的迅猛增長也是新電源技術(shù)的主要推動(dòng)力。即使像手機(jī)充電器這樣不起眼的部件也需要高效運(yùn)行，尤其考慮到其使用量高達(dá)數(shù)十億。簡而言之，所有電氣和電子系統(tǒng)，無論大小，都將從安全、高效的電力轉(zhuǎn)換中獲益。

高壓技術(shù)所帶來的挑戰(zhàn)

為了持續(xù)滿足未來更高的功效需求，技術(shù)開發(fā)人員必須在減小尺寸、保持可靠性和控制成本的同時(shí)，提高集成電路的性能。為滿足這些要求，我們需要對制造工藝、片上組件、電路設(shè)計(jì)和封裝進(jìn)行創(chuàng)新。能夠吸引設(shè)備開發(fā)者以及能加快增強(qiáng)型電源技術(shù)的推廣應(yīng)用的是提供具有深度硬件和軟件設(shè)計(jì)支持的集成一體化解決方案。TI在制造高集成低功耗解決方案方面具有悠久的歷史，并且在這些領(lǐng)域不斷創(chuàng)新，推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步，利用TI專業(yè)技術(shù)創(chuàng)造先進(jìn)高功率解決方案，以滿足當(dāng)前和未來市場需求。

近幾年，開關(guān)模式電源（SMPS）在電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)域逐漸發(fā)展壯大，其原因在于其固有效率高于傳統(tǒng)電源設(shè)計(jì)。但是，不斷完善SMPS設(shè)計(jì)是一項(xiàng)永不止息的藝術(shù)。這些電源在高頻時(shí)產(chǎn)生電流，但必須防止這些高頻流入系統(tǒng)，并且避免其流回電源。另外，電源中的敏感元器件的運(yùn)行容易受到內(nèi)部阻抗和周圍組件的影響。由于上述原因，SMPS解決方案盡可能地將系統(tǒng)集成，從而幫助降低電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，并且減少制造成本。如果這個(gè)解決方案能夠?qū)⑿⊥庑纬叽绺綦x與功率電路包含在內(nèi)，那么效果會(huì)更好，其原因是它有效將系統(tǒng)屏蔽于外界干擾，并且防止高頻從系統(tǒng)內(nèi)部遷移到線路上。

制造工藝精進(jìn)。制造工藝技術(shù)不斷地提高SMPS和其他電源設(shè)計(jì)中所使用的硅芯片的電壓和頻率處理能力。

開關(guān)模式電源的類函數(shù)

例如，TI的多用途高功率LBC7HV BiCMOS工藝目前用于額定電壓高達(dá)600伏的集成式柵極驅(qū)動(dòng)器電源開關(guān)解決方案。另外，制造廠商也正將注意力轉(zhuǎn)向氮化鎵（GaN，構(gòu)建在硅基板之上）和碳化硅(SiC) 等全新材料，以便在高壓下實(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)速度和更高效率。除了眾多的基于硅的解決方案，TI還開發(fā)了幾種GaN開關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)器，并開始引入含有柵極驅(qū)動(dòng)和GaN電源開關(guān)的高級(jí)多芯片模塊（MCMs）。結(jié)合下面討論的創(chuàng)新組合，制造工藝進(jìn)步不僅使電源變得更加高效，而且提供更大的功率密度，有助于降低系統(tǒng)成本。

集成。新型高壓電源的一項(xiàng)重要要求是重新調(diào)節(jié)尺寸，使其能夠封裝在終端設(shè)備內(nèi)的電路板上。

為了滿足這一要求，TI計(jì)劃設(shè)計(jì)集成眾多電源組件的單芯片解決方案，在成本和性能方面更加實(shí)用。不論何時(shí)，如果由于使用了不同工藝進(jìn)行功能構(gòu)建，從而使全系統(tǒng)集成過于昂貴，或者無法實(shí)現(xiàn)的話，那么將兩個(gè)或更多器件集成到MCM中就是一種可行的解決方案。除了節(jié)省空間之外，系統(tǒng)級(jí)的單芯片和MCM解決方案可提高功率密度，并且減少了對繞組和散熱片等無源材料的需要。這種解決方案還簡化了設(shè)計(jì)，因?yàn)槠淇上蜃畲笙薅鹊亟档妥岆娫丛O(shè)變得十分困難的復(fù)雜內(nèi)部阻抗。

隔離。單芯片和MCM集成面臨的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)就是如何進(jìn)行隔離。傳統(tǒng)電源使用變壓器進(jìn)行隔離，變壓器是位于集成電路外部的龐大組件。然而，處于開發(fā)當(dāng)中的全新的隔離方法將免除外部變壓器，直接從芯片或MCM內(nèi)部對系統(tǒng)進(jìn)行隔離。為了用戶安全和設(shè)備保護(hù)，這一點(diǎn)很重要，增強(qiáng)型隔離是系統(tǒng)正常運(yùn)行所需基本隔離的2倍或者更多。隨著這些提供隔離的集成方法在市面上不斷出現(xiàn)，它們將對于節(jié)省空間的電源解決方案變得必不可少。

高頻可編程控制器。如果沒有精確控制，即使最好的柵極驅(qū)動(dòng)器和電源開關(guān)對于SMPS來說，也毫無價(jià)值；否則，計(jì)時(shí)中的細(xì)微方差將會(huì)很快放大為巨大方差，從而降低系統(tǒng)效率。至少，新型SMPS設(shè)計(jì)的高頻需要高性能狀態(tài)機(jī)提供的數(shù)字控制。創(chuàng)新型軟件工具幫助電源設(shè)計(jì)人員理解如何使用C2000 MCU或UCD3138數(shù)字控制器，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)模擬控制方法到數(shù)字控制的轉(zhuǎn)換工作。

高級(jí)封裝。集成電源解決方案要求創(chuàng)新型單芯片和MCM封裝，以應(yīng)對高壓運(yùn)行產(chǎn)生的電氣性能完整性和熱應(yīng)力要求。封裝專家們必須了解的問題有：材料的類型、接合技術(shù)以及防止器件性能退化的保護(hù)方法。封裝性能會(huì)由于高壓至低壓區(qū)域的電荷擴(kuò)散、高電流密度造成的電遷移或者因此必須從封裝中去除的熱量而下降。由器件使用壽命內(nèi)的熱機(jī)械應(yīng)力以及其他原因造成的破裂也會(huì)導(dǎo)致性能退化。高功率水平時(shí)上述問題會(huì)被放大，尤其是當(dāng)集成電路被應(yīng)用于工廠車間、汽車或其他惡劣環(huán)境時(shí)。TI正在通過廣泛的材料評(píng)估、綜合性測試以及與材料供應(yīng)商主動(dòng)接觸和交流來應(yīng)對上述挑戰(zhàn)。

提供面向未來的高壓效率

隨著對更高效電源管理需求的不斷增加，對創(chuàng)新技術(shù)解決方案的需求也在增加。提升效率有以下幾種方式：開發(fā)利用替代能源、設(shè)計(jì)與制造功耗更低的設(shè)備以及優(yōu)化和提升電力傳輸和轉(zhuǎn)換技術(shù)。

TI如何重新定義高壓的未來

創(chuàng)新的集成電路技術(shù)在上述所有領(lǐng)域內(nèi)發(fā)揮著決定性作用，在提供巨大節(jié)能潛力的應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)高壓電力轉(zhuǎn)換。

隨著制造工藝，電路，隔離器、單芯片和MCM集成等組件以及封裝的持續(xù)發(fā)展，電源管理半導(dǎo)體技術(shù)也將不斷取得進(jìn)步。設(shè)計(jì)還將從一體化解決方案中獲益，最大程度減少設(shè)計(jì)SMPS和其他電源系統(tǒng)的工作量。作為行業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的模擬集成電路制造商，TI在集成低壓電源產(chǎn)品方面擁有悠久歷史。充分利用豐富精湛的專業(yè)知識(shí)和持續(xù)專注的技術(shù)創(chuàng)新，TI正在快速地向前發(fā)展，旨在開發(fā)出高壓解決方案，以滿足客戶需求、節(jié)約能耗、實(shí)現(xiàn)更加美好的未來。