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高壓創新如何重新定義電源管理? [2016/11/29]

 

雖然這些挑戰需要我們使用多種政治和經濟手段來有效應對,不過有一種技術手段正日益顯示出其重要性。高壓創新手段能夠使電能的傳輸和轉換更加高效,從而降低電源和終端設備間的功率損耗。    
  雖然這些挑戰需要我們使用多種政治和經濟手段來有效應對,不過有一種技術手段正日益顯示出其重要性。高壓創新手段能夠使電能的傳輸和轉換更加高效,從而降低電源和終端設備間的功率損耗。
  這些創新手段為發電方式帶來改變,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電性能。這使得能源效率穩步上升,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年美國的發電量将增加24%——每年增加約1%。EIA還預測,美國的發電量中,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,節省一部分浪費電量,便可降低所需的總發電量。
  先進的半導體是使發電、輸電和耗電更加高效的最重要的技術之一,這項技術還在不斷發展中。使用集成電路實現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,實現電力轉換。智能集成電路硬件可以讓電網、工廠、住宅、汽車和其他系統進行高效通信,以及高效控制系統的電力使用。另外,作為電源和電池充電器的骨幹,電源管理電路是實現便攜式電子設備快速發展的一個重要因素;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、制造和封裝的專業技術,創造高壓模拟和混合信号解決方案。這些解決方案在未來幾年将把功效提升至全新水平。
  為什麼将重點放在高壓上?
  電壓的變化範圍很大,發電廠的電壓可以高達幾萬伏,區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字組件在内部使用。在配電線路上分布着很多中間電壓電平,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、工業和汽車應用而言,高壓的範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設備中所使用的電平。
  據市場調查公司IHS的研究數據,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——這一領域每年金額高達300億美元。全新的集成電路産品市場不斷湧現,比如說AC/DC轉換器、逆變器、雙向轉換器和DC/DC轉換器。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的整體性能。
  功率轉換是黃金發展領域,因為從電廠到終端應用,每一次電壓轉換都涉及功率損耗。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”一詞往往讓人聯想到工廠車間,實際上,諸如電機、機器人和中央控制系統等工業應用也是電源創新的重要領域。目前,全球的各個行業都在經曆智能自動化轉型,這次轉型的到來如此之快,以至于一些人将其稱為“第四次工業革命”(前三次分别為蒸汽機、大規模生産和早期自動化)或工業4.0。在這次轉型中,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通信能力。智能工廠的首要目标是通過使用更少的能量實現更多的功能,提高生産力,并降低成本。
  “設備”一詞往往讓人聯想到工廠車間,實際上,諸如電機、機器人和中央控制系統等工業應用是電源創新的重要領域。目前,全球的各個行業都在經曆智能自動化轉型,這次轉型的到來是如此之快,以至于一些人将其稱為“第四次工業革命”(前三次分别為蒸汽機、大規模生産和早期自動化)或工業4.0。在這次轉型中,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通信能力的可行性。智能工廠的首要目标是通過使用更少的能量實現更多的功能,提高生産力,并降低成本。
  但是,工業并不是提高電源效率技術的唯一目标行業。能夠從中受益的其它領域還包括用于太陽能和風能發電的逆變器、數據中心與電信基礎設施。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十億。簡而言之,所有電氣和電子系統,無論大小,都将從安全、高效的電力轉換中獲益。
  高壓技術所帶來的挑戰
  為了持續滿足未來更高的功效需求,技術開發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新。能夠吸引設備開發者以及能加快增強型電源技術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曆史,并且在這些領域不斷創新,推動技術進步,利用TI專業技術創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,開關模式電源(SMPS)在電力轉換領域逐漸發展壯大,其原因在于其固有效率高于傳統電源設計。但是,不斷完善 SMPS設計是一項永不止息的藝術。這些電源在高頻時産生電流,但必須防止這些高頻流入系統,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内部阻抗和周圍組件的影響。由于上述原因,SMPS解決方案盡可能地将系統集成,從而幫助降低電源設計的複雜性,并且減少制造成本。如果這個解決方案能夠将小外形尺寸隔離與功率電路包含在内,那麼效果會更好,其原因是它有效将系統屏蔽于外界幹擾,并且防止高頻從系統内部遷移到線路上。
  制造工藝精進。制造工藝技術不斷地提高SMPS和其他電源設計中所使用的矽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伏的集成式栅極驅動器電源開關解決方案。另外,制造廠商也正将注意力轉向氮化镓(GaN,構建在矽基闆之上)和碳化矽(SiC) 等全新材料,以便在高壓下實現更快的開關速度和更高效率。除了衆多的基于矽的解決方案,TI還開發了幾種GaN開關栅極驅動器,并開始引入含有栅極驅動和 GaN電源開關的高級多芯片模塊(MCMs)。結合下面讨論的創新組合,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,有助于降低系統成本。
  集成。新型高壓電源的一項重要要求是重新調節尺寸,使其能夠封裝在終端設備内的電路闆上。
  為了滿足這一要求,TI計劃設計集成衆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建,從而使全系統集成過于昂貴,或者無法實現的話,那麼将兩個或更多器件集成到MCM中就是一種可行的解決方案。除了節省空間之外,系統級的單芯片和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複雜内部阻抗。
  隔離。單芯片和MCM集成面臨的一個巨大挑戰就是如何進行隔離。傳統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,處于開發當中的全新的隔離方法将免除外部變壓器,直接從芯片或MCM内部對系統進行隔離。為了用戶安全和設備保護,這一點很重要,增強型隔離是系統正常運行所需基本隔離的2倍或者更多。随着這些提供隔離的集成方法在市面上不斷出現,它們将對于節省空間的電源解決方案變得必不可少。
  高頻可編程控制器。如果沒有精确控制,即使最好的栅極驅動器和電源開關對于SMPS來說,也毫無價值;否則,計時中的細微方差将會很快放大為巨大方差,從而降低系統效率。至少,新型SMPS設計的高頻需要高性能狀态機提供的數字控制。創新型軟件工具幫助電源設計人員理解如何使用C2000 MCU或UCD3138數字控制器,開發數控SMPS系統的閉環控制功能,從而簡化從傳統模拟控制方法到數字控制的轉換工作。
  高級封裝。集成電源解決方案要求創新型單芯片和MCM封裝,以應對高壓運行産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。由器件使用壽命内的熱機械應力以及其他原因造成的破裂也會導緻性能退化。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。
  提供面向未來的高壓效率
  随着對更高效電源管理需求的不斷增加,對創新技術解決方案的需求也在增加。提升效率有以下幾種方式:開發利用替代能源、設計與制造功耗更低的設備以及優化和提升電力傳輸和轉換技術。
  創新的集成電路(液位計液位變送器電容式液位計電容式液位變送器物位開關)技術在上述所有領域内發揮着決定性作用,在提供巨大節能潛力的應用中實現高壓電力轉換。
  随着制造工藝,電路,隔離器、單芯片和MCM集成等組件以及封裝的持續發展,電源管理半導體技術也将不斷取得進步。設計還将從一體化解決方案中獲益,最大程度減少設計SMPS和其他電源系統的工作量。作為行業内領先的模拟集成電路制造商,TI在集成低壓電源産品方面擁有悠久曆史。充分利用豐富精湛的專業知識和持續專注的技術創新,TI正在快速地向前發展,旨在開發出高壓解決方案,以滿足客戶需求、節約能耗、實現更加美好的未來。