通過高壓創(chuàng)新重新定義電源管理

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如今，為了給新系統(tǒng)供電，我們對電能的需求越來越大，新系統(tǒng)很多是移動的，它們提高了我們的生活水平。與此同時，環(huán)保問題要求我們更加高效地使用能源。

雖然這些挑戰(zhàn)需要我們使用多種政治和經(jīng)濟手段來有效應對，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，并且提升電機和制冷設備等耗電量較大設備的節(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還預測，美國的發(fā)電量中，有大約6%的電能浪費在供電和配置方面——近幾年每年浪費的電量超過1400萬兆瓦時。通過提高效率，節(jié)省一部分浪費電量，便可降低所需的總發(fā)電量。

先進的半導體是使發(fā)電、輸電和耗電更加高效的最重要的技術(shù)之一，這項技術(shù)還在不斷發(fā)展中。使用集成電路實現(xiàn)的智能控制和新型功率半導體材料可以在最小損耗情況下，實現(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，電源管理電路是實現(xiàn)便攜式電子設備快速發(fā)展的一個重要因素；在提升效率的同時，讓生活更加便捷。德州儀器（TI）充分利用其設計、制造和封裝的專業(yè)技術(shù)，創(chuàng)造高壓模擬和混合信號解決方案。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的電平到運輸和工業(yè)設備中所使用的電平。

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行的電源管理集成電路代表對集成電路供應商的巨大需求——這一領(lǐng)域每年金額高達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，因為從電廠到終端應用，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)換方法對高壓進行降壓操作之前，盡可能地使高壓接近甚至直接進入終端設備。設備和用戶附近存在高壓時，也需要對機器和人體采取額外的保護措施。

“設備”一詞往往讓人聯(lián)想到工廠車間，實際上，諸如電機、機器人和中央控制系統(tǒng)等工業(yè)應用也是電源創(chuàng)新的重要領(lǐng)域。目前，全球的各個行業(yè)都在經(jīng)歷智能自動化轉(zhuǎn)型，這次轉(zhuǎn)型的到來如此之快，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、大規(guī)模生產(chǎn)和早期自動化）或工業(yè)4.0。在這次轉(zhuǎn)型中，所謂的“智能工廠”起到了決定性作用，它代表了更高的機器智能性和更強的系統(tǒng)通信能力。智能工廠的首要目標是通過使用更少的能量實現(xiàn)更多的功能，提高生產(chǎn)力，并降低成本。

“設備”一詞往往讓人聯(lián)想到工廠車間，實際上，諸如電機、機器人和中央控制系統(tǒng)等工業(yè)應用是電源創(chuàng)新的重要領(lǐng)域。目前，全球的各個行業(yè)都在經(jīng)歷智能自動化轉(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、大規(guī)模生產(chǎn)和早期自動化）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，它代表了更高機器智能和更強系統(tǒng)通信能力的可行性。智能工廠的首要目標是通過使用更少的能量實現(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能發(fā)電的逆變器、數(shù)據(jù)中心與電信基礎(chǔ)設施。電池電壓約為400伏的電動汽車的充電和運行也依靠高壓電子器件。另外，各種新興的移動設備市場的迅猛增長也是新電源技術(shù)的主要推動力。即使像手機充電器這樣不起眼的部件也需要高效運行，尤其考慮到其使用量高達數(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，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、電路設計和封裝進行創(chuàng)新。能夠吸引設備開發(fā)者以及能加快增強型電源技術(shù)的推廣應用的是提供具有深度硬件和軟件設計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，推動技術(shù)進步，利用TI專業(yè)技術(shù)創(chuàng)造先進高功率解決方案，以滿足當前和未來市場需求。

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)電源設計。但是，不斷完善SMPS設計是一項永不止息的藝術(shù)。這些電源在高頻時產(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計的復雜性，并且減少制造成本。如果這個解決方案能夠?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。制造工藝技術(shù)不斷地提高SMPS和其他電源設計中所使用的硅芯片的電壓和頻率處理能力。

例如，TI的多用途高功率LBC7HV BiCMOS工藝目前用于額定電壓高達600伏的集成式柵極驅(qū)動器電源開關(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)動器，并開始引入含有柵極驅(qū)動和GaN電源開關(guān)的高級多芯片模塊（MCMs）。結(jié)合下面討論的創(chuàng)新組合，制造工藝進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重要要求是重新調(diào)節(jié)尺寸，使其能夠封裝在終端設備內(nèi)的電路板上。

為了滿足這一要求，TI計劃設計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用。不論何時，如果由于使用了不同工藝進行功能構(gòu)建，從而使全系統(tǒng)集成過于昂貴，或者無法實現(xiàn)的話，那么將兩個或更多器件集成到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計，因為其可消除或最大限度地降低讓電源設變得十分困難的復雜內(nèi)部阻抗。

隔離。單芯片和MCM集成面臨的一個巨大挑戰(zhàn)就是如何進行隔離。傳統(tǒng)電源使用變壓器進行隔離，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)進行隔離。為了用戶安全和設備保護，這一點很重要，增強型隔離是系統(tǒng)正常運行所需基本隔離的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)動器和電源開關(guān)對于SMPS來說，也毫無價值；否則，計時中的細微方差將會很快放大為巨大方差，從而降低系統(tǒng)效率。至少，新型SMPS設計的高頻需要高性能狀態(tài)機提供的數(shù)字控制。創(chuàng)新型軟件工具幫助電源設計人員理解如何使用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，以應對高壓運行產(chǎn)生的電氣性能完整性和熱應力要求。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方法。封裝性能會由于高壓至低壓區(qū)域的電荷擴散、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)的熱機械應力以及其他原因造成的破裂也會導致性能退化。高功率水平時上述問題會被放大，尤其是當集成電路被應用于工廠車間、汽車或其他惡劣環(huán)境時。TI正在通過廣泛的材料評估、綜合性測試以及與材料供應商主動接觸和交流來應對上述挑戰(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、設計與制造功耗更低的設備以及優(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)能潛力的應用中實現(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，電源管理半導體技術(shù)也將不斷取得進步。設計還將從一體化解決方案中獲益，最大程度減少設計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、實現(xiàn)更加美好的未來。

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