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电源管理设计小贴士:回到未来,电力电子产品如何变化

  2019年02月27日  

——作者:Robert Taylor

  Robert Taylor是德州仪器的应用经理。

  我于2002年开始在德州仪器(TI)工作;从那时起,电力电子市场整体增长了四倍多,复合年增长率达到了8%左右。这种巨大的增长得益于电源领域的一些惊人的进步。

  ?#21307;?#22312;本文中回顾在2002年看起来几乎不可能实现的话题。例如,?#19994;?#39318;批项目之一是用于低压大电流处理器应用的两相转换器:输入电压为12 V,输出为1 V,电流为40 A,功?#22987;?#22343;为250 kHz,输出纹波为500 kHz。我记得,由于电?#26500;?#20302;,无法用传统的电子负载测试电源。为了快速完成一些测试,我使用了一个1米长的铜带来达到加载电源的等效电阻。而当我打开电源时,由于电场的原因,铜环实际上已扭曲。

  我们团队为此类电源提供的最新规格是:550 A时为1 V!该设计采用12相电源,具有先进的电流共享和瞬态响应?#38469;酢?#25105;们现在拥有一整?#36164;?#39564;台,内装专门的测试设备。随着消费者对互联网和云的需求增加,特定于应用的处理器正变得越来越耗电。

  另一项激动人心的?#38469;?#36827;步是增加宽带隙器件的使用量,如氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)。GaN和SiC已存在一?#38382;?#38388;,但在2002年既不可靠也不具有成本效益,无法用于商业用途。这两种?#38469;?#37117;可大幅提高功率密度和开关速度。图1所示为1 kW功率因数校正(PFC)电源,每立?#25509;?#23544;能够达到156 W - 比超级结硅芯片提高了2倍,比10年前提高了10倍。

  图1 采用1 kW通用交流输入电源的99%高效1kW GaN基连续电流模式(CCM)图腾柱功率因数校正(PFC)转换器参考设计

  汽车应用正在增加对车辆内部电源和电子设备的需求。在2002年,能够将电源切换到AM无线电频段(2.2 MHz)以?#29616;?#26159;一个梦想。2018年,我们不仅可在AM波段之上切换,而且我们可以更小、更高效的方式进行切换。德州仪器最新的集成场效应晶体管(FET)转换器的一些开关?#24503;?#39640;于6 MHz。半导体?#38469;?#30340;进步以及封装使这些改进成为可能。图2所示为集成FET转换器的功率密度如何随着特征尺寸的减小在典型的线?#36816;?#26497;互补金属氧化物半导体(BiCMOS)?#38469;?#20013;得到扩展。

  半导体封装在收缩尺寸和更高?#24503;是謝环?#38754;也发挥着重要作用。封装中的寄生损耗可限制开关电源合理切换的速度。典型封装先前使用单键线将硅连接到引线框架引脚,现在我们可将铜金属层直接连接到封装或印刷电路板上,这种类型的封装可降低寄生电感和?#30001;?#30005;容,从而实现更快的转换时间。与此同时,热管理也得到改善,这在增加功率密度时很重要。

  图2 典型线性BiCMOS?#38469;?#30340;发展

  ?#22987;?#26412;适配器(外部适配器)通常称为“砖”。我找了一下,发现一个,并决定称重 - 重达1.35磅!图3比较了2002年?#22987;?#26412;适配器(1.35磅)和2018年?#22987;?#26412;适配器(0.39磅)与真砖头(3.25磅)的尺寸。随着时间推移,尺寸上的减少令人惊叹。

  图3 ?#22987;?#26412;适配器尺寸的比较

  通过提高效率、提高开关?#24503;?#21644;改善热管理,可减小尺寸。但若没有?#38469;?#31361;破,很难实现所有三项改进:

  · 谐振拓扑结构,如有源钳位反激和电感电感电容。

  · 多级转换器。

  · GaN和SiC等宽带隙器件。

  · 二次整流和共振。

  2002年的电源适配器的功率密度约为5 W/in3。虽然在当时令人印象深刻,但若尺寸更小的话可在旅行时方便携带。图4所示为适配器功率密度在过去几年中的增长情况。这些测量关乎市售的65-W适配器。

  图4 65-W适配器尺寸和功率密度的改进

  我对电源行业过去几年的变化和改进感到振奋。现在情况很乐观,虽然我无法预测他们是否会变得更好,但它值得我们拭目?#28304;?/FONT>

  作者简介:

  Robert Taylor是德州仪器的应用经理。

标签:德州仪器 IC我要反馈
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