高压创新对重新定义电源管理分析

如今，为了给新系统供电，我们对电能的需求越来越大，新系统很多是移动的，它们提高了我们的生活水平。与此同时，环保问题要求我们更加高效地使用能源。
　　虽然这些挑战需要我们使用多种政治和经济手段来有效应对，不过有一种技术手段正日益显示出其重要性。高压创新手段能够使电能的传输和转换更加高效，从而降低电源和终端设备间的功率损耗。
　　这些创新手段为发电方式带来改变，例如引入可再生能源，并且提升电机和制冷设备等耗电量较大设备的节电性能。这使得能源效率稳步上升，降低成本，并减少温室气体排放。
　　即使是微小的效率提升也能带来显著的影响。美国能源信息署（EIA）在其2015年中期预测中估测：到2040年美国的发电量将增加24%——每年增加约1%。EIA还预测，美国的发电量中，有大约6%的电能浪费在供电和配置方面——近几年每年浪费的电量超过1400万兆瓦时。通过提高效率，节省一部分浪费电量，便可降低所需的总发电量。
　　先进的半导体是使发电、输电和耗电更加高效的最重要的技术之一，这项技术还在不断发展中。使用集成电路实现的智能控制和新型功率半导体材料可以在最小损耗情况下，实现电力转换。智能集成电路硬件可以让电网、工厂、住宅、汽车和其他系统进行高效通信，以及高效控制系统的电力使用。另外，作为电源和电池充电器的骨干，电源管理电路是实现便携式电子设备快速发展的一个重要因素；在提升效率的同时，让生活更加便捷。德州仪器（TI）充分利用其设计、制造和封装的专业技术，创造高压模拟和混合信号解决方案。这些解决方案在未来几年将把功效提升至全新水平。
　　为什么将重点放在高压上？
　　电压的变化范围很大，发电厂的电压可以高达几万伏，区域输电线路上则低至不足1伏，这些电压由嵌入式处理器等高速数字组件在内部使用。在配电线路上分布着很多中间电压电平，对消费者来说，最熟悉的是110/120伏和220/240伏电压。 对于住宅、商业、工业和汽车应用而言，高压的范围从几十伏到几百伏不等；包括从比电子电路高出一点的电平到运输和工业设备中所使用的电平。
　　据市场调查公司IHS的研究数据，在所有电压电平上运行的电源管理集成电路代表对集成电路供应商的巨大需求——这一领域每年金额高达300亿美元。全新的集成电路产品市场不断涌现，比如说AC/DC转换器、逆变器、双向转换器和DC/DC转换器。能够提供高集成度、高功率密度以及高智能化的集成电路解决方案可以进而提高系统的整体性能。
　　功率转换是黄金发展领域，因为从电厂到终端应用，每一次电压转换都涉及功率损耗。另外，在相同条件下，输电过程中低压的功率损耗高于高压。出于这些原因，最有效的方法就是，在使用最大限度降低功耗的转换方法对高压进行降压操作之前，尽可能地使高压接近甚至直接进入终端设备。设备和用户附近存在高压时，也需要对机器和人体采取额外的保护措施。
　　“设备”一词往往让人联想到工厂车间，实际上，诸如电机、机器人和中央控制系统等工业应用也是电源创新的重要领域。目前，全球的各个行业都在经历智能自动化转型，这次转型的到来如此之快，以至于一些人将其称为“第四次工业革命”（前三次分别为蒸汽机、大规模生产和早期自动化）或工业4.0。在这次转型中，所谓的“智能工厂”起到了决定性作用，它代表了更高的机器智能性和更强的系统通信能力。智能工厂的首要目标是通过使用更少的能量实现更多的功能，提高生产力，并降低成本。
　　“设备”一词往往让人联想到工厂车间，实际上，诸如电机、机器人和中央控制系统等工业应用是电源创新的重要领域。目前，全球的各个行业都在经历智能自动化转型，这次转型的到来是如此之快，以至于一些人将其称为“第四次工业革命”（前三次分别为蒸汽机、大规模生产和早期自动化）或工业4.0。在这次转型中，其中，所谓的“智能工厂”起到了决定性作用，它代表了更高机器智能和更强系统通信能力的可行性。智能工厂的首要目标是通过使用更少的能量实现更多的功能，提高生产力，并降低成本。
　　但是，工业并不是提高电源效率技术的唯一目标行业。能够从中受益的其它领域还包括用于太阳能和风能发电的逆变器、数据中心与电信基础设施。电池电压约为400伏的电动汽车的充电和运行也依靠高压电子器件。另外，各种新兴的移动设备市场的迅猛增长也是新电源技术的主要推动力。即使像手机充电器这样不起眼的部件也需要高效运行，尤其考虑到其使用量高达数十亿。简而言之，所有电气和电子系统，无论大小，都将从安全、高效的电力转换中获益。
　　高压技术所带来的挑战
　　为了持续满足未来更高的功效需求，技术开发人员必须在减小尺寸、保持可靠性和控制成本的同时，提高集成电路的性能。为满足这些要求，我们需要对制造工艺、片上组件、电路设计和封装进行创新。能够吸引设备开发者以及能加快增强型电源技术的推广应用的是提供具有深度硬件和软件设计支持的集成一体化解决方案。TI在制造高集成低功耗解决方案方面具有悠久的历史，并且在这些领域不断创新，推动技术进步，利用TI专业技术创造先进高功率解决方案，以满足当前和未来市场需求。
　　近几年，开关模式电源（SMPS）在电力转换领域逐渐发展壮大，其原因在于其固有效率高于传统电源设计。但是，不断完善SMPS设计是一项永不止息的艺术。这些电源在高频时产生电流，但必须防止这些高频流入系统，并且避免其流回电源。另外，电源中的敏感元器件的运行容易受到内部阻抗和周围组件的影响。由于上述原因，SMPS解决方案尽可能地将系统集成，从而帮助降低电源设计的复杂性，并且减少制造成本。如果这个解决方案能够将小外形尺寸隔离与功率电路包含在内，那么效果会更好，其原因是它有效将系统屏蔽于外界干扰，并且防止高频从系统内部迁移到线路上。
　　制造工艺精进。制造工艺技术不断地提高SMPS和其他电源设计中所使用的硅芯片的电压和频率处理能力。
　　
　　开关模式电源的类函数
　　例如，TI的多用途高功率LBC7HV BiCMOS工艺目前用于额定电压高达600伏的集成式栅极驱动器电源开关解决方案。另外，制造厂商也正将注意力转向氮化镓（GaN，构建在硅基板之上）和碳化硅（SiC） 等全新材料，以便在高压下实现更快的开关速度和更高效率。除了众多的基于硅的解决方案，TI还开发了几种GaN开关栅极驱动器，并开始引入含有栅极驱动和GaN电源开关的高级多芯片模块（MCMs）。结合下面讨论的创新组合，制造工艺进步不仅使电源变得更加高效，而且提供更大的功率密度，有助于降低系统成本。
　　集成。新型高压电源的一项重要要求是重新调节尺寸，使其能够封装在终端设备内的电路板上。
　　为了满足这一要求，TI计划设计集成众多电源组件的单芯片解决方案，在成本和性能方面更加实用。不论何时，如果由于使用了不同工艺进行功能构建，从而使全系统集成过于昂贵，或者无法实现的话，那么将两个或更多器件集成到MCM中就是一种可行的解决方案。除了节省空间之外，系统级的单芯片和MCM解决方案可提高功率密度，并且减少了对绕组和散热片等无源材料的需要。这种解决方案还简化了设计，因为其可消除或最大限度地降低让电源设变得十分困难的复杂内部阻抗。
　　隔离。单芯片和MCM集成面临的一个巨大挑战就是如何进行隔离。传统电源使用变压器进行隔离，变压器是位于集成电路外部的庞大组件。然而，处于开发当中的全新的隔离方法将免除外部变压器，直接从芯片或MCM内部对系统进行隔离。为了用户安全和设备保护，这一点很重要，增强型隔离是系统正常运行所需基本隔离的2倍或者更多。随着这些提供隔离的集成方法在市面上不断出现，它们将对于节省空间的电源解决方案变得必不可少。
　　高频可编程控制器。如果没有精确控制，即使最好的栅极驱动器和电源开关对于SMPS来说，也毫无价值；否则，计时中的细微方差将会很快放大为巨大方差，从而降低系统效率。至少，新型SMPS设计的高频需要高性能状态机提供的数字控制。创新型软件工具帮助电源设计人员理解如何使用C2000 MCU或UCD3138数字控制器，开发数控SMPS系统的闭环控制功能，从而简化从传统模拟控制方法到数字控制的转换工作。
　　高级封装。集成电源解决方案要求创新型单芯片和MCM封装，以应对高压运行产生的电气性能完整性和热应力要求。封装专家们必须了解的问题有：材料的类型、接合技术以及防止器件性能退化的保护方法。封装性能会由于高压至低压区域的电荷扩散、高电流密度造成的电迁移或者因此必须从封装中去除的热量而下降。由器件使用寿命内的热机械应力以及其他原因造成的破裂也会导致性能退化。高功率水平时上述问题会被放大，尤其是当集成电路被应用于工厂车间、汽车或其他恶劣环境时。TI正在通过广泛的材料评估、综合性测试以及与材料供应商主动接触和交流来应对上述挑战。
　　提供面向未来的高压效率
　　随着对更高效电源管理需求的不断增加，对创新技术解决方案的需求也在增加。提升效率有以下几种方式：开发利用替代能源、设计与制造功耗更低的设备以及优化和提升电力传输和转换技术。