如何通过低功耗电子技术应对能源挑战与环境危机

低功耗电子学是一个迅速发展的领域，对于解决当今的能源挑战至关重要。从手机到电动车，所有设备都参与了这一进步。效率是这一领域的核心理念，引导着低功耗设计的关键原则，采用新兴技术和策略，以最大化所有电气和电子应用中的能效。

使用能耗较低的设备显然比使用高能耗的设备更为有利，原因多种多样，包括热量散失、电费成本、空气污染和电池续航。设计一款关注低能耗的设备无疑意味着需要更深入的研究、更复杂的电子解决方案构思和高质量组件的使用，这些特征很可能会导致设备最终价格的提高。

然而，低能耗电气系统的优势是不可否认的。降低能源成本极为重要，尤其是对于大型系统，如数据中心和工业厂房。即使只有几千瓦的能耗，在大规模应用中也可能带来显著的成本节约。能耗较低的电子元件通常在较低温度下工作，延长了组件的使用寿命和可靠性，同时减少了更换和维修的需求。

如今，大多数设备都是便携式的，或至少依赖电池供电。在这些设备中，如智能手机、笔记本电脑、灯具、收音机和可穿戴设备，能效至关重要，这意味着更长的电池寿命，增加用户便利性，并减少频繁充电的需要。

低功耗设计几乎应用于所有现有设备，例如移动设备(智能手机、平板电脑、笔记本电脑以及需要长电池寿命的可穿戴设备)、物联网(IoT)设备，尤其是传感器和执行器、大量耗电的数据中心，以及电动车对于更高效率的需求，这些优势也降低了环境影响。较低的能耗对应于温室气体排放的减少。

低能耗设计

能够消耗尽可能低能量的设备目标集中在多种战略上，包括化学、物理和电气技术。主要目标一致，旨在最小化所有电子元件的功耗，即使是最“无害”的元件。这些元件必须由设计师仔细选择：电阻器、电感器、变压器、MOSFET和二极管都需要非常具体的特性。

此外，仅仅选择最佳组件以确保较低的功耗是不够的;还需确保优化的工作条件，这取决于所采用的电路配置、可能的开关频率以及相关的电压。因此，设计师必须选择低功耗组件，优化电路，并采用优秀的电源管理技术。

降低供电电压可以显著减少能耗，尽管，特别是在汽车应用中，往往有提高电压、降低电流的趋势，以满足更薄、更轻的连接需求。不论选择何种工作电压，良好的规划可以使低能耗设备的生产成为可能，尤其是通过智能设计电源，以关闭或将未使用的电路部分切换为节能模式，减少能耗。

如果不使用与电子元件相关的低功耗技术，所有这些努力都是徒劳的。如今，使用宽带半导体如SiC和GaN，因其高击穿电压、高电流、低导通电阻(Rds(ON))、高开关频率、高工作温度、更低的开关损失、更小的体积和重量、更高的功率密度，以及更低的寄生电容，正为节能做出有效贡献。

一些技术分享

正如前面段落所述，获得高效低功耗设备没有单一的魔法方法;相反，必须遵循多种策略。其中之一涉及开关频率，特别是对于转换器和逆变器等功率设备。图1中的通用电路图展示了一个基于MOSFET的简单开关电路。其主要功能是通过负载(以R1表示)控制电流流动，使用由V1生成的控制信号。

图1：基于 MOSFET 的简单开关电路

选择最佳开关频率是实现高效解决方案的关键点之一，符合电磁干扰(EMI)减少的规定。通常，电路功能所需的开关次数应尽量减少。非常简单的模拟表明，随着工作频率的增加，能耗也随之增加。

在开关条件下，MOSFET在频率提高时消耗更多能源。这主要有两个因素：

·开关损失：每当MOSFET从截止状态切换到导通状态，反之亦然，都会发生能量损失。这些损失是由于在过渡期间，MOSFET处于一个同时存在电压和电流的活跃区域。开关频率越高，每秒的转换次数越多，因此开关损失也会更大。

·栅极电容充放电损失：MOSFET具有栅极电容，每次晶体管切换时都会对其进行充放电。此过程需要的能量和时间大于零。

图2展示了在不同开关频率下，通用SiC MOSFET的功率消耗特征图。X轴表示以对数刻度显示的开关频率，而Y轴显示在该频率下MOSFET的平均功耗。设计师面临着使用适当频率的挑战，以平衡不同参数，即EMI、声学噪音(甚至是高次谐波的产生)等。选择正确的频率并不是一项简单的操作;其不能过低以避免声学和声音干扰，也不能过高，以防EMI排放。此外，频率必须根据MOSFET驱动器的技术规格进行仔细选择。

图2：通用 SiC MOSFET 随开关频率变化的功率特性

另一个低功耗设计的标准基于重要的Rds(ON)参数，该参数识别MOSFET在导通状态下的导通电阻。该参数应尽可能低，以最小化导通损耗及相关的功耗。有多个网站提供选择最佳MOSFET的计算工具。这个参数是设计师在项目中应优先考虑的第一个因素，但他们也需关注设备可实现的最大开关速度和寄生栅极电容。

图3展示了三种不同Rds(ON)电阻值的SiC设备在各种开关频率下的平均功耗。该参数的低值总是更受欢迎。在这个例子中，分别使用了27 mOhm、80 mOhm和150 mOhm的三种通用SiC MOSFET。较高的电阻值对应较高的结温和“容器”温度，显然也对应较低的电路效率。

图3：三种具有不同Rds(ON)电阻值的SiC器件在不同开关频率下的功率耗散

设计师还应仔细考虑激活MOSFET所需的适当栅极电压(Vgs)。该电压应足够高，以在开启时将MOSFET驱动到饱和，并且足够低，以便完全关闭。评估优秀的栅极驱动器也同样重要。优秀的驱动器应确保高栅极电流，以快速开启和关闭MOSFET，降低开关损失。所有功率组件必须能够充分散热。设计师必须提供适当的冷却系统，因为不必要的过热可能会降低性能并缩短组件的使用寿命。

此外，印刷电路板(PCB)轨迹的详细研究至关重要，因为它们构成了一个具有高概率的不必要寄生反应的电感和电容系统。因此，设计师不仅应关注纯电子主题，更应致力于创建复杂的热电路和相关方程，包括研究铝或铜散热器的使用，这些散热器具有不同形状和尺寸，具有精确的热导率，能应对不同环境条件下变化的对流系数。只有通过所有这些分析，才能设计和实现高效的解决方案。如今，许多优秀的电子模拟器可以在不同工作条件下准确模拟可行的场景。

结论

低功耗设计证明是一个极为动态和不断发展的电子学领域，对于应对当今的能源和环境挑战至关重要。技术创新承诺将进一步推动效率的极限，为越来越高性能和可持续的设备铺平道路。

例如，能量收集代表了一个有前途的前沿，允许使用可再生能源为电子设备供电，进一步减少环境影响。尽管与系统日益复杂化和设备小型化相关的挑战依然存在，但人类的聪明才智和科学研究仍在不断找到创新的解决方案，为低功耗电子和更绿色的世界开启了光明的未来。