解讀電源三大熱門(mén)領(lǐng)域的技術(shù)方案　

作者/ 迎九　王金旺《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：在智能化 、網(wǎng)絡(luò )化的當下時(shí)代，各種新型電子產(chǎn)品層出不窮，而在各電子產(chǎn)品中，電源模塊一直都是不可避免的課題，隨著(zhù)新材料和新工藝不斷涌現、不斷發(fā)展，電源模塊的的各方面性能也不斷得到完善。本次專(zhuān)題就功率器件、光伏和隔離器三個(gè)方面，邀請業(yè)內專(zhuān)業(yè)人士共同探討電源的發(fā)展和革新。

功率器件與電源模塊

　　電源管理器件需要小尺寸提供高效率

　　開(kāi)關(guān)穩壓器的控制方式一般采用電流控制模式，但是負載電流變動(dòng)的過(guò)渡響應特性有時(shí)達不到要求的規格。作為解決對策，可使用滯后控制方式的開(kāi)關(guān)穩壓器，該穩壓器屬于滯后控制中的一種固定導通時(shí)間控制，可反饋輸出電壓生成的紋波電壓波形，并用比較器比較紋波電壓底部和基準電壓后進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，據此將輸出電壓保持到一定水平。反饋電壓低于基準電壓時(shí)，生成單脈沖并導通高邊開(kāi)關(guān)，從而從輸入端向輸出端供應電流。用比較器單純地進(jìn)行比較并逐次進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，幾乎沒(méi)有反饋控制的時(shí)間遲延，所以與電流控制模式相比，可獲得更快速的過(guò)渡響應特性。

　　H3Reg^TM控制是固定導通時(shí)間控制的進(jìn)化版，是ROHM獨有的控制方式。負載電流急劇增加時(shí)，輸出電壓降低;在超過(guò)反饋電壓決定的導通時(shí)間，輸出電壓也未能超過(guò)基準電壓時(shí)，通過(guò)延長(cháng)高邊開(kāi)關(guān)的導通時(shí)間提供更多電力，加快輸出電壓恢復的速度。據此，可得到比固定導通時(shí)間控制更快速的過(guò)渡響應特性。另外，由于負載急劇變化時(shí)，開(kāi)關(guān)次數少，所以可減少噪聲發(fā)生。

　　工業(yè)應用

　　工業(yè)應用電源多需要高電壓降壓轉換器，以較小的方案尺寸提供高效率，ROHM利用尖端的功率系統工藝和垂直統合型一條龍生產(chǎn)線(xiàn)，面向非常重視可連續工作的可靠性和長(cháng)期穩定供應的工業(yè)設備市場(chǎng)，開(kāi)發(fā)出眾多新產(chǎn)品。例如，ROHM面向需要大功率(高電壓×大電流)的通信基站和工業(yè)設備領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)出耐壓高達80V的MOSFET內置型DC/DC轉換器 "BD9G341AEFJ"。BD9G341AEFJ"采用功率系統工藝0.6μm的高耐壓BiCDMOS作為非絕緣型DC/DC轉換器，實(shí)現了80V的業(yè)界高耐壓水平，在ROHM的DC/DC轉換器產(chǎn)品陣容中，也是耐壓最高的產(chǎn)品。利用ROHM擅長(cháng)的模擬設計技術(shù)優(yōu)勢，在80V級的DC/DC轉換器中，還實(shí)現了業(yè)界較高的轉換效率。與一般產(chǎn)品相比，本產(chǎn)品即使輸出引腳發(fā)生意外短路(接觸)，也可通過(guò)保護電路抑制發(fā)熱，從而防止產(chǎn)品受損，因此，有助于提高應用產(chǎn)品的可靠性。不僅如此，這些優(yōu)勢僅通過(guò)簡(jiǎn)單的小型8引腳封裝即可完全實(shí)現，可減少安裝面積和周邊零部件數量。

　　用高密度提升產(chǎn)品性能

　　Vicor以磚式或模塊電源聞名。相比于很多IPM(智能功率模塊)和功率器件等產(chǎn)品，Vicor做的是模塊化電源系統。而IPM，通常是功率器件或電源器件與控制芯片的集成。相比后者，Vicor的磚式或模塊的集成度更高，里面有功率器件、控制芯片與很多信號調理電路，利用獨特的拓撲結構，實(shí)現高密度、高效和高可靠性。

　　Vicor高密度產(chǎn)品

　　Vicor的AD/DC集成方案是內部的兩級拓撲，前級是零電壓開(kāi)關(guān)的升降壓轉換器，后級是零電壓零電流的母線(xiàn)轉換器結構。一般的電源轉換器都是兩級結構，而Vicor與一般產(chǎn)品對應的是單級變換，因此，Vicor的優(yōu)勢是成本較低。但單級效率不太容易提升，Vicor現在的DC/DC已經(jīng)是兩級，使效率和密度都上去了。

　　另外，Vicor的ZVS buck(零電壓開(kāi)關(guān))轉換器采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的降壓芯片，不僅如此，升降壓、升壓等也都是零電壓開(kāi)關(guān)，因而損耗低，開(kāi)關(guān)頻率可以做到1MHz以上的高頻。

　　數據中心：48V直轉CPU

　　Vicor已經(jīng)為Intel VR13 48V做了很多年產(chǎn)品。2016年3月9日，谷歌發(fā)布基于48V的方案，并在OCP(開(kāi)放計算項目)上宣布采用了Vicor方案。另外，在今年召開(kāi)的Facebook OCT會(huì )上，已有客戶(hù)明確提出采用48V方案。與此同時(shí)，國內也有一些廠(chǎng)商在做48V轉CPU方案了。

　　目前，本土會(huì )有試用48V轉CPU方案。國外已出貨幾百萬(wàn)片(例如谷歌等)。實(shí)際上，國內的天蝎2.5已包括48V電源，但是48V轉12V，預計天蝎3.0今年會(huì )發(fā)布，有可能直接接到CPU，有可能有48V母線(xiàn)選項。

　　具體地，Intel的VR13是對CPU的電壓調整(VR)規范，涉及動(dòng)態(tài)響應、電壓調整精度、負載線(xiàn)變化等，指標非常嚴格，近乎苛刻。所以入圍Intel VR13的朋友圈已經(jīng)實(shí)屬不易，而Vicor卻可以提供成熟應用的方案。

　　實(shí)際上，48V轉CPU的電壓效率，與12V轉CPU的效率差不多，但是輸入48V進(jìn)來(lái)，反向的損耗或母線(xiàn)排上的損耗減少會(huì )很多，電流只有其1/4。

　　工業(yè)用電源及電源管理器件的新進(jìn)展

　　隨著(zhù)各大行業(yè)的飛速發(fā)展，對工業(yè)電源的可靠性、容量/體積比、安裝等要求越來(lái)越高。對此，工業(yè)電源的發(fā)展有以下幾個(gè)方面的趨勢：1)更高功率密度，不斷提升轉換效率、可靠性;2)便于安裝和擴容，簡(jiǎn)化應用;3)應用數字信號控制技術(shù)，形成與外界的數字化通訊接口;4)提高集成度，走向智能化。

　　作為工業(yè)設備核心器件的工業(yè)電源當以市場(chǎng)需求為導向，著(zhù)力突破制約電源發(fā)展的關(guān)鍵電路設計與制造技術(shù)。

　　金升陽(yáng)各系統中的應用方案

　　近幾年，金升陽(yáng)以解決客戶(hù)在實(shí)際應用中遇到的諸多難題為目標，利用數百項專(zhuān)利技術(shù)，針對智能電網(wǎng)、新能源、軌道交通、醫療、充電樁等領(lǐng)域開(kāi)發(fā)了一系列行業(yè)專(zhuān)用電源，并已經(jīng)成功地應用在各個(gè)系統中。如：

　　智能電網(wǎng)領(lǐng)域：發(fā)電環(huán)節，配合新能源開(kāi)發(fā)，PV系列電源針對1500V光伏系統研發(fā)，適用于光伏匯流箱、光伏逆變器等系統;變電環(huán)節，PV45系列電源針對SVG行業(yè)研發(fā)，可直接從高壓母線(xiàn)取電給控制系統供電;配電環(huán)節，MBP系列充電電源適用于DTU、TTU等系統;智能管理環(huán)節，LS/LD系列AC-DC電源應用于智能電表、儀器儀表中。

　　軌道交通領(lǐng)域：6-150W URB1D/URF1D系列DC-DC電源滿(mǎn)足EN50155鐵標認證，適用于72V、96V、110V 的鐵路車(chē)載電子設備以及軌旁電氣設備，如鐵路監控設備、空調控制器、信息顯示屏、門(mén)控系統等。

　　醫療領(lǐng)域：G(H)_S系列DC/DC電源和LH-MU系列AC-DC電源滿(mǎn)足第三版醫療認證，適用于注射泵、多功能監護儀、營(yíng)養箱等診斷類(lèi)或輔助類(lèi)醫療器械。

　　充電樁領(lǐng)域：CAN/CAN-FD/RS485系列通訊模塊、寬壓DC-DC模塊、LO/LM/LI系列AC-DC模塊等適用于直流充電樁和交流充電樁系統。

　　汽車(chē)電子領(lǐng)域：CF系列DC-DC電源符合AEC-Q100設計標準，適用于車(chē)用通訊系統電機控制器、發(fā)動(dòng)機控制系統、電池管理系統(BMS)等系統。

　　電源管理的智能化是大勢所趨

　　Maxim Integrated TTS Asia應用工程師經(jīng)理魏智認為，電子產(chǎn)品小型化是許多領(lǐng)域的共同主題，消費類(lèi)電子從便攜到可穿戴;工業(yè)4.0帶動(dòng)了尺寸更小、功能更強大的uPLC需求。輕、薄、小是各大品牌推廣產(chǎn)品的關(guān)鍵詞，而支撐市場(chǎng)發(fā)展的背后離不開(kāi)電源管理技術(shù)的進(jìn)步。功率密度的不斷提升，電源管理的高度智能化是電源技術(shù)發(fā)展的大勢所趨。無(wú)論是大功率數據中心、中等功率的工業(yè)應用，還是低功耗便攜設備，單位面積能夠產(chǎn)生的輸出功率都是非常重要的指標。為此，我們始終在先進(jìn)工藝、封裝技術(shù)、設計和系統架構上不斷創(chuàng )新。Maxim最新推出的MAX17222 nanoPower boost，具有業(yè)內高效率和300nA低靜態(tài)電流(IQ)，相比同類(lèi)產(chǎn)品可減少多達50%的方案面積，并提供95%的峰值效率，使發(fā)熱降低。幫助可穿戴及消費類(lèi)IoT設計在更小尺寸內實(shí)現更強大的功能與性能，獲取更長(cháng)的電池壽命。

　　低功耗系統管理

　　提升吞吐率是工業(yè)、數據中心、消費類(lèi)電子，甚至汽車(chē)電子等應用領(lǐng)域的關(guān)鍵，而實(shí)現這一目標的核心技術(shù)在于低功耗系統管理。電源管理器件是Maxim銷(xiāo)售收入的重要來(lái)源，我們不僅在消費類(lèi)產(chǎn)品提供領(lǐng)先的解決方案，同時(shí)也致力于汽車(chē)、工業(yè)、通信和數據中心等應用領(lǐng)域的創(chuàng )新技術(shù)，提供高性?xún)r(jià)比電源產(chǎn)品。

　　在汽車(chē)領(lǐng)域，電子零部件使用比例的增加不僅帶動(dòng)了PMIC需求的上升，還促進(jìn)了汽車(chē)銷(xiāo)量的提升。同時(shí)，電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)也對PMIC提出了新的需求和挑戰。Maxim的汽車(chē)電源可以工作在低至3.5V，甚至2V的輸入電壓環(huán)境下，同時(shí)可承受高達40V/42V的拋負載電壓。99%的占空比確保汽車(chē)起?；蚶鋯?dòng)是保持穩定的輸出電壓。較高的工作頻率以及擴頻模式，既可避開(kāi)對AM波段的干擾，又可以解決EMI問(wèn)題，并允許使用小尺寸外部元件。

　　在大數據和云計算領(lǐng)域，數據中心的革命正在進(jìn)行——越來(lái)越多的企業(yè)服務(wù)器遷移到了云端。這一革命驅動(dòng)著(zhù)新系統架構和商業(yè)模式的衍生，并推動(dòng)著(zhù)云計算和大數據應用對PMIC需求的提升。Maxim的電源管理方案能夠幫助用戶(hù)從容應對這一挑戰。

光伏

　　中國市場(chǎng)需要創(chuàng )新應用

　　中國光伏市場(chǎng)的起步略滯后于國際上領(lǐng)先的歐美國家，但發(fā)展迅猛，在相當短的時(shí)間里，集中式逆變器技術(shù)和電站安裝量都處于世界領(lǐng)先地位。集中式逆變器技術(shù)發(fā)展來(lái)自于專(zhuān)業(yè)的光伏逆變器企業(yè)，以及不間斷電源和風(fēng)電變流器企業(yè)。他們在市場(chǎng)迅猛發(fā)展靠的是以前的技術(shù)積累，而且這些年輕的企業(yè)有著(zhù)很強的創(chuàng )新精神，沒(méi)有沿襲國外逆變器的傳統設計，而采用了來(lái)自英飛凌的新技術(shù)，如PrimePACK?3和 EconoDUAL?3等功率半導體新技術(shù)，使得中國光伏逆變器的市場(chǎng)競爭能力前所未有地強大。

　　光伏系統朝著(zhù)1500V直流方向發(fā)展，針對新的應用，我們會(huì )準備全新的技術(shù)方案。采用IGBT5 .xt技術(shù)的新一代PrimePACK?3可以使得單機容量做到1MW以上，真正體現1500V光伏系統的價(jià)值。為推動(dòng)1500V光伏系統技術(shù)，我們在和有設計咨詢(xún)能力第三方實(shí)驗室及認證機構合作，服務(wù)于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。