電源管理設計小貼士：回到未來(lái)，電力電子產(chǎn)品如何變化

　　我于2002年開(kāi)始在德州儀器(TI)工作;從那時(shí)起，電力電子市場(chǎng)整體增長(cháng)了四倍多，復合年增長(cháng)率達到了8%左右。這種巨大的增長(cháng)得益于電源領(lǐng)域的一些驚人的進(jìn)步。

　　我將在本文中回顧在2002年看起來(lái)幾乎不可能實(shí)現的話(huà)題。例如，我的首批項目之一是用于低壓大電流處理器應用的兩相轉換器：輸入電壓為12 V，輸出為1 V，電流為40 A，功率級均為250 kHz，輸出紋波為500 kHz。我記得，由于電壓過(guò)低，無(wú)法用傳統的電子負載測試電源。為了快速完成一些測試，我使用了一個(gè)1米長(cháng)的銅帶來(lái)達到加載電源的等效電阻。而當我打開(kāi)電源時(shí)，由于電場(chǎng)的原因，銅環(huán)實(shí)際上已扭曲。

　　我們團隊為此類(lèi)電源提供的最新規格是：550 A時(shí)為1 V!該設計采用12相電源，具有先進(jìn)的電流共享和瞬態(tài)響應技術(shù)。我們現在擁有一整套實(shí)驗臺，內裝專(zhuān)門(mén)的測試設備。隨著(zhù)消費者對互聯(lián)網(wǎng)和云的需求增加，特定于應用的處理器正變得越來(lái)越耗電。

　　另一項激動(dòng)人心的技術(shù)進(jìn)步是增加寬帶隙器件的使用量，如氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)。GaN和SiC已存在一段時(shí)間，但在2002年既不可靠也不具有成本效益，無(wú)法用于商業(yè)用途。這兩種技術(shù)都可大幅提高功率密度和開(kāi)關(guān)速度。圖1所示為1 kW功率因數校正(PFC)電源，每立方英寸能夠達到156 W - 比超級結硅芯片提高了2倍，比10年前提高了10倍。

　　圖1 采用1 kW通用交流輸入電源的99%高效1kW GaN基連續電流模式(CCM)圖騰柱功率因數校正(PFC)轉換器參考設計

　　汽車(chē)應用正在增加對車(chē)輛內部電源和電子設備的需求。在2002年，能夠將電源切換到AM無(wú)線(xiàn)電頻段(2.2 MHz)以上只是一個(gè)夢(mèng)想。2018年，我們不僅可在A(yíng)M波段之上切換，而且我們可以更小、更高效的方式進(jìn)行切換。德州儀器最新的集成場(chǎng)效應晶體管(FET)轉換器的一些開(kāi)關(guān)頻率高于6 MHz。半導體技術(shù)的進(jìn)步以及封裝使這些改進(jìn)成為可能。圖2所示為集成FET轉換器的功率密度如何隨著(zhù)特征尺寸的減小在典型的線(xiàn)性雙極互補金屬氧化物半導體(BiCMOS)技術(shù)中得到擴展。

　　半導體封裝在收縮尺寸和更高頻率切換方面也發(fā)揮著(zhù)重要作用。封裝中的寄生損耗可限制開(kāi)關(guān)電源合理切換的速度。典型封裝先前使用單鍵線(xiàn)將硅連接到引線(xiàn)框架引腳，現在我們可將銅金屬層直接連接到封裝或印刷電路板上，這種類(lèi)型的封裝可降低寄生電感和雜散電容，從而實(shí)現更快的轉換時(shí)間。與此同時(shí)，熱管理也得到改善，這在增加功率密度時(shí)很重要。

　　圖2 典型線(xiàn)性BiCMOS技術(shù)的發(fā)展

　　筆記本適配器(外部適配器)通常稱(chēng)為“磚”。我找了一下，發(fā)現一個(gè)，并決定稱(chēng)重 - 重達1.35磅!圖3比較了2002年筆記本適配器(1.35磅)和2018年筆記本適配器(0.39磅)與真磚頭(3.25磅)的尺寸。隨著(zhù)時(shí)間推移，尺寸上的減少令人驚嘆。

　　圖3 筆記本適配器尺寸的比較

　　通過(guò)提高效率、提高開(kāi)關(guān)頻率和改善熱管理，可減小尺寸。但若沒(méi)有技術(shù)突破，很難實(shí)現所有三項改進(jìn)：

　　· 諧振拓撲結構，如有源鉗位反激和電感電感電容。

　　· 多級轉換器。

　　· GaN和SiC等寬帶隙器件。

　　· 二次整流和共振。

　　2002年的電源適配器的功率密度約為5 W/in3。雖然在當時(shí)令人印象深刻，但若尺寸更小的話(huà)可在旅行時(shí)方便攜帶。圖4所示為適配器功率密度在過(guò)去幾年中的增長(cháng)情況。這些測量關(guān)乎市售的65-W適配器。

　　圖4 65-W適配器尺寸和功率密度的改進(jìn)

　　我對電源行業(yè)過(guò)去幾年的變化和改進(jìn)感到振奮?，F在情況很樂(lè )觀(guān)，雖然我無(wú)法預測他們是否會(huì )變得更好，但它值得我們拭目以待。

　　作者簡(jiǎn)介：

　　Robert Taylor是德州儀器的應用經(jīng)理。