作者：德州儀器Kilby實(shí)驗室電源管理總監Jeff Morroni

毫無(wú)疑問(wèn)，電源在調節、傳輸和功耗等各個(gè)方面都成為日益重要的話(huà)題。人們期望產(chǎn)品功能日趨多樣、性能更強大、更智能、外觀(guān)更加酷炫，業(yè)界看到了關(guān)注電源相關(guān)問(wèn)題的重要意義。展望2019年，三大廣泛的問(wèn)題最受關(guān)注，即：密度、EMI和隔離（信號和電源）。

實(shí)現更高的密度：將更多電源管理放入更小的空間

由于IC光刻工藝和每個(gè)功能運行功率的大幅縮減，使得芯片上可集成更多功能和柵極，對成品的總體功率需求迅速增長(cháng)，如圖1所示。一些處理器現在可以消耗幾百安培電流，并且可以在不到一微秒的時(shí)間內從低電流狀態(tài)上升到完全激活狀態(tài)。通過(guò)降低損耗和提高熱性能實(shí)現“在硬幣大小的面積上達到千瓦級功率”的密度目標并非一句玩笑話(huà)。

圖1：從1992年到2010年的產(chǎn)品熱密度發(fā)展趨勢。

問(wèn)題不僅在于管理功率和因此產(chǎn)生的功耗。由于存在基本的I2R損耗，即使在電源負載路徑中明顯“可忽略”的電阻也成為了有效功率輸送的主要障礙：在200 A時(shí)，僅1mΩ的引線(xiàn)/走線(xiàn)電阻可導致出現0.2 V IR壓降和40 W損耗。此外，因為可以靠近負載放置，使用較小的轉換器也存在兩難問(wèn)題，，這一方面有利于減少走線(xiàn)損耗和噪聲拾取，但也成為負載附近的一個(gè)發(fā)熱源，導致溫度升高。

與功率密度相關(guān)的趨勢：?jiǎn)晤w“魔彈”可能無(wú)法解決密度難題。解決方案將包括跨學(xué)科改進(jìn)，將導致：

減小EMI：發(fā)射導致出現性能不確定和拒絕調節

圖2：禁用和啟用擴頻的噪聲比較。

隨著(zhù)電子產(chǎn)品更廣泛、更深入地擴展到大眾市場(chǎng)應用中，降低EMI已成為一個(gè)更大的問(wèn)題，快速了解一下當今的汽車(chē)就能證明。實(shí)際上，由于難以抑制AM波段EMI，一些電動(dòng)汽車(chē)/混合動(dòng)力汽車(chē)不再提供AM無(wú)線(xiàn)電選項。當然，汽車(chē)中的EMI不僅僅會(huì )影響無(wú)線(xiàn)電，還會(huì )影響任務(wù)關(guān)鍵型ADAS（先進(jìn)駕駛輔助系統）功能，如自適應巡航控制雷達。

對設計人員來(lái)說(shuō)，EMI方面的挑戰在于它通常更像是一門(mén)藝術(shù)，而非一門(mén)科學(xué)。建模是一個(gè)難題，其解決方案通常需要反復試驗才能將其降至所需的最大值。此外，EMI并非單一實(shí)體，而是具有不同的來(lái)源、路徑和外觀(guān)。例如，通常引線(xiàn)布線(xiàn)和PCB布局會(huì )產(chǎn)生較強的輻射EMI，而轉換器設計和無(wú)源濾波器網(wǎng)絡(luò )則產(chǎn)生更強的傳導差分模式EMI。

與EMI相關(guān)的趨勢：無(wú)源濾波器之類(lèi)的解決方案是可用的并且可能非常有用，但它們在尺寸、重量和成本的可削減區域內僅可達到一定水平。更大的機會(huì )在于IC供應商如何從源頭解決EMI問(wèn)題，從而提供更好的結果并增強易用性，以滿(mǎn)足必要的合規標準要求。

這些解決方案詳細介紹了噪聲的基本原理，并將降噪噪技術(shù)進(jìn)行了分層：

• 增加使用擴頻技術(shù)來(lái)擴散噪聲能量，從而降低其在整個(gè)頻譜上的峰值；
• 封裝，包括集成無(wú)源元件，可減少開(kāi)關(guān)時(shí)引起電壓尖峰和振鈴的寄生效應；
• 調制功率器件柵極驅動(dòng)，以減少產(chǎn)生噪聲的dV/dt回轉，同時(shí)不影響效率。

增強隔離：確保A點(diǎn)與B點(diǎn)之間無(wú)電流路徑

盡管電氣隔離技術(shù)已經(jīng)使用了很多年，但新工程師通常對其了解甚少。簡(jiǎn)而言之，它提供了一個(gè)屏障，因此輸入和輸出級之間沒(méi)有歐姆（電流）路徑，但允許電源和信號能量通過(guò)該屏障�？梢酝ㄟ^(guò)各種方法來(lái)實(shí)現隔離，包括光學(xué)、磁性、電容或小型RF耦合，如圖3。

圖3：電氣隔離類(lèi)型。

電流隔離最常成為以下兩個(gè)主要目的之一。首先，它為具有內部潛在危險性高電壓系統的用戶(hù)提供了安全性，它可以確保系統中存在任何內部故障時(shí)，都無(wú)法影響到用戶(hù)。其次，它實(shí)現了一大類(lèi)創(chuàng )新型電源系統架構，其中初級側和次級側之間必須沒(méi)有可能的公共電流，例如當一側接地時(shí)，另一側處于不接地連接的“浮動(dòng)”狀態(tài)。

人們對隔離的需求受到各種情況的驅動(dòng)，例如工廠(chǎng)自動(dòng)化、廣泛的人機界面（HMI）、太陽(yáng)能電池板和醫療儀器。GaN和SiC功率器件的dV/dt額定值較高也推動(dòng)了具有挑戰性的隔離要求。

與隔離有關(guān)的趨勢：隔離可以?xún)H用于電源軌、信號線(xiàn)（數據）或同時(shí)用于兩者。理想情況下，IC供應商可以將電源和數據隔離集成在同一個(gè)封裝中，以確保安全性和可靠性。此外，由于集成了數據和電源隔離功能，IC供應商可以針對這些應用中典型的嚴格EMI標準更好地進(jìn)行控制和設計。

所需的隔離級別是應用的一大功能：5 kV增強隔離在許多情況下是足夠的，并且有詳細的行業(yè)標準對其進(jìn)行定義。

由于具有卓越的共模瞬態(tài)抗擾度（CMTI）性能和數據完整性，使用隔離電容進(jìn)行數據傳輸是一種流行的方法。然而，由于可傳輸的功率有限以及效率，對于大多數功率傳輸應用來(lái)說(shuō)隔離電容是不可行的。因此，當需要功率傳輸時(shí)，磁性方法成為了優(yōu)選方案。結合這兩種方法，可以在同一封裝中實(shí)現完全“自偏置”收發(fā)器等解決方案，同時(shí)具有隔離電源和數據連接。此類(lèi)產(chǎn)品和技術(shù)創(chuàng )新真正改變了這些安全關(guān)鍵應用中的游戲規則。

結論

電源功能、組件和傳輸方面的進(jìn)步是跨學(xué)科的，因為密度、EMI和隔離密切相關(guān)。例如，降低EMI會(huì )導致無(wú)源濾波器尺寸減小，從而獲得更高的功率密度。進(jìn)步將來(lái)自“堆疊”創(chuàng )新，帶來(lái)更多重大技術(shù)發(fā)展。其中包括充分表征的寬帶隙（WBG）功率器件，改進(jìn)的器件管芯熱界面，增強的無(wú)源器件和功能集成，先進(jìn)工藝技術(shù)的開(kāi)發(fā)和創(chuàng )新的電路IP。

德州儀器（TI）作為電源相關(guān)組件和設計支持工具的領(lǐng)先供應商，正在開(kāi)發(fā)促進(jìn)和支持這些趨勢的相關(guān)技術(shù)，包括材料、工藝、拓撲、電路和封裝等。