即使是微小的效率提升也能帶來(lái)顯著(zhù)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(guò)1400萬(wàn)兆瓦時(shí)。通過(guò)提高效率，節省一部分浪費電量，便可降低所需的總發(fā)電量。

先進(jìn)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(shí)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(shí)現電力轉換。智能集成電路硬件可以讓電網(wǎng)、工廠(chǎng)、住宅、汽車(chē)和其他系統進(jìn)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干，電源管理電路是實(shí)現便攜式電子設備快速發(fā)展的一個(gè)重要因素；在提升效率的同時(shí)，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(zhuān)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(lái)幾年將把功效提升至全新水平。

為什么將重點(diǎn)放在高壓上？
電壓的變化范圍很大，發(fā)電廠(chǎng)的電壓可以高達幾萬(wàn)伏，區域輸電線(xiàn)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內部使用。在配電線(xiàn)路上分布著(zhù)很多中間電壓電平，對消費者來(lái)說(shuō)，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(chē)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(diǎn)的電平到運輸和工業(yè)設備中所使用的電平。

據市場(chǎng)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(lǐng)域每年金額高達300億美元。全新的集成電路產(chǎn)品市場(chǎng)不斷涌現，比如說(shuō)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(jìn)而提高系統的整體性能。

功率轉換是黃金發(fā)展領(lǐng)域，因為從電廠(chǎng)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(guò)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(jìn)行降壓操作之前，盡可能地使高壓接近甚至直接進(jìn)入終端設備。設備和用戶(hù)附近存在高壓時(shí)，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(chǎng)車(chē)間，實(shí)際上，諸如電機、機器人和中央控制系統等工業(yè)應用也是電源創(chuàng )新的重要領(lǐng)域。目前，全球的各個(gè)行業(yè)都在經(jīng)歷智能自動(dòng)化轉型，這次轉型的到來(lái)如此之快，以至于一些人將其稱(chēng)為“第四次工業(yè)革命”（前三次分別為蒸汽機、大規模生產(chǎn)和早期自動(dòng)化）或工業(yè)4.0。在這次轉型中，所謂的“智能工廠(chǎng)”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(chǎng)的首要目標是通過(guò)使用更少的能量實(shí)現更多的功能，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(chǎng)車(chē)間，實(shí)際上，諸如電機、機器人和中央控制系統等工業(yè)應用是電源創(chuàng )新的重要領(lǐng)域。目前，全球的各個(gè)行業(yè)都在經(jīng)歷智能自動(dòng)化轉型，這次轉型的到來(lái)是如此之快，以至于一些人將其稱(chēng)為“第四次工業(yè)革命”（前三次分別為蒸汽機、大規模生產(chǎn)和早期自動(dòng)化）或工業(yè)4.0。在這次轉型中，其中，所謂的“智能工廠(chǎng)”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(chǎng)的首要目標是通過(guò)使用更少的能量實(shí)現更多的功能，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(yáng)能和風(fēng)能發(fā)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(dòng)汽車(chē)的充電和運行也依靠高壓電子器件。另外，各種新興的移動(dòng)設備市場(chǎng)的迅猛增長(cháng)也是新電源技術(shù)的主要推動(dòng)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(jiǎn)而言之，所有電氣和電子系統，無(wú)論大小，都將從安全、高效的電力轉換中獲益。

高壓技術(shù)所帶來(lái)的挑戰

為了持續滿(mǎn)足未來(lái)更高的功效需求，技術(shù)開(kāi)發(fā)人員必須在減小尺寸、保持可靠性和控制成本的同時(shí)，提高集成電路的性能。為滿(mǎn)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(jìn)行創(chuàng )新。能夠吸引設備開(kāi)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(dòng)技術(shù)進(jìn)步，利用TI專(zhuān)業(yè)技術(shù)創(chuàng )造先進(jìn)高功率解決方案，以滿(mǎn)足當前和未來(lái)市場(chǎng)需求。

近幾年，開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）在電力轉換領(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(shí)產(chǎn)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內部阻抗和周?chē)�組件的影響。由于上述原因，SMPS解決方案盡可能地將系統集成，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(gè)解決方案能夠將小外形尺寸隔離與功率電路包含在內，那么效果會(huì )更好，其原因是它有效將系統屏蔽于外界干擾，并且防止高頻從系統內部遷移到線(xiàn)路上。

制造工藝精進(jìn)。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。

開(kāi)關(guān)模式電源的類(lèi)函數

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伏的集成式柵極驅動(dòng)器電源開(kāi)關(guān)解決方案。另外，制造廠(chǎng)商也正將注意力轉向氮化鎵（GaN，構建在硅基板之上）和碳化硅(SiC) 等全新材料，以便在高壓下實(shí)現更快的開(kāi)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(kāi)發(fā)了幾種GaN開(kāi)關(guān)柵極驅動(dòng)器，并開(kāi)始引入含有柵極驅動(dòng)和GaN電源開(kāi)關(guān)的高級多芯片模塊（MCMs）。結合下面討論的創(chuàng )新組合，制造工藝進(jìn)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內的電路板上。

為了滿(mǎn)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(shí)用。不論何時(shí)，如果由于使用了不同工藝進(jìn)行功能構建，從而使全系統集成過(guò)于昂貴，或者無(wú)法實(shí)現的話(huà)，那么將兩個(gè)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(wú)源材料的需要。這種解決方案還簡(jiǎn)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部阻抗。

隔離。單芯片和MCM集成面臨的一個(gè)巨大挑戰就是如何進(jìn)行隔離。傳統電源使用變壓器進(jìn)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(kāi)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內部對系統進(jìn)行隔離。為了用戶(hù)安全和設備保護，這一點(diǎn)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。隨著(zhù)這些提供隔離的集成方法在市面上不斷出現，它們將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(méi)有精確控制，即使最好的柵極驅動(dòng)器和電源開(kāi)關(guān)對于SMPS來(lái)說(shuō)，也毫無(wú)價(jià)值；否則，計時(shí)中的細微方差將會(huì )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態(tài)機提供的數字控制。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數字控制器，開(kāi)發(fā)數控SMPS系統的閉環(huán)控制功能，從而簡(jiǎn)化從傳統模擬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(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(zhuān)家們必須了解的問(wèn)題有：材料的類(lèi)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(huì )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。由器件使用壽命內的熱機械應力以及其他原因造成的破裂也會(huì )導致性能退化。高功率水平時(shí)上述問(wèn)題會(huì )被放大，尤其是當集成電路被應用于工廠(chǎng)車(chē)間、汽車(chē)或其他惡劣環(huán)境時(shí)。TI正在通過(guò)廣泛的材料評估、綜合性測試以及與材料供應商主動(dòng)接觸和交流來(lái)應對上述挑戰。

提供面向未來(lái)的高壓效率

隨著(zhù)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(kāi)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換技術(shù)。

TI如何重新定義高壓的未來(lái)

創(chuàng )新的集成電路技術(shù)在上述所有領(lǐng)域內發(fā)揮著(zhù)決定性作用，在提供巨大節能潛力的應用中實(shí)現高壓電力轉換。

隨著(zhù)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(fā)展，電源管理半導體技術(shù)也將不斷取得進(jìn)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和其他電源系統的工作量。作為行業(yè)內領(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(zhuān)業(yè)知識和持續專(zhuān)注的技術(shù)創(chuàng )新，TI正在快速地向前發(fā)展，旨在開(kāi)發(fā)出高壓解決方案，以滿(mǎn)足客戶(hù)需求、節約能耗、實(shí)現更加美好的未來(lái)。