電源管理設(shè)計(jì)小貼士：回到未來(lái)，電力電子產(chǎn)品如何變化

　　我于2002年開始在德州儀器(TI)工作;從那時(shí)起，電力電子市場(chǎng)整體增長(zhǎng)了四倍多，復(fù)合年增長(zhǎng)率達(dá)到了8%左右。這種巨大的增長(zhǎng)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(xiàn)的話題。例如，我的首批項(xiàng)目之一是用于低壓大電流處理器應(yīng)用的兩相轉(zhuǎn)換器：輸入電壓為12 V，輸出為1 V，電流為40 A，功率級(jí)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(tǒng)的電子負(fù)載測(cè)試電源。為了快速完成一些測(cè)試，我使用了一個(gè)1米長(zhǎng)的銅帶來(lái)達(dá)到加載電源的等效電阻。而當(dāng)我打開電源時(shí)，由于電場(chǎng)的原因，銅環(huán)實(shí)際上已扭曲。

　　我們團(tuán)隊(duì)為此類電源提供的最新規(guī)格是：550 A時(shí)為1 V!該設(shè)計(jì)采用12相電源，具有先進(jìn)的電流共享和瞬態(tài)響應(yīng)技術(shù)。我們現(xiàn)在擁有一整套實(shí)驗(yàn)臺(tái)，內(nèi)裝專門的測(cè)試設(shè)備。隨著消費(fèi)者對(duì)互聯(lián)網(wǎng)和云的需求增加，特定于應(yīng)用的處理器正變得越來(lái)越耗電。

　　另一項(xiàng)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關(guān)速度。圖1所示為1 kW功率因數(shù)校正(PFC)電源，每立方英寸能夠達(dá)到156 W - 比超級(jí)結(jié)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(xù)電流模式(CCM)圖騰柱功率因數(shù)校正(PFC)轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計(jì)

　　汽車應(yīng)用正在增加對(duì)車輛內(nèi)部電源和電子設(shè)備的需求。在2002年，能夠?qū)㈦娫辞袚Q到AM無(wú)線電頻段(2.2 MHz)以上只是一個(gè)夢(mèng)想。2018年，我們不僅可在AM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(yīng)晶體管(FET)轉(zhuǎn)換器的一些開關(guān)頻率高于6 MHz。半導(dǎo)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(zhuǎn)換器的功率密度如何隨著特征尺寸的減小在典型的線性雙極互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(BiCMOS)技術(shù)中得到擴(kuò)展。

　　半導(dǎo)體封裝在收縮尺寸和更高頻率切換方面也發(fā)揮著重要作用。封裝中的寄生損耗可限制開關(guān)電源合理切換的速度。典型封裝先前使用單鍵線將硅連接到引線框架引腳，現(xiàn)在我們可將銅金屬層直接連接到封裝或印刷電路板上，這種類型的封裝可降低寄生電感和雜散電容，從而實(shí)現(xiàn)更快的轉(zhuǎn)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 典型線性BiCMOS技術(shù)的發(fā)展

　　筆記本適配器(外部適配器)通常稱為“磚”。我找了一下，發(fā)現(xiàn)一個(gè)，并決定稱重 - 重達(dá)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(xiàn)所有三項(xiàng)改進(jìn)：

　　· 諧振拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如有源鉗位反激和電感電感電容。

　　· 多級(jí)轉(zhuǎn)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(dāng)時(shí)令人印象深刻，但若尺寸更小的話可在旅行時(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(zhǎng)情況。這些測(cè)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(duì)電源行業(yè)過(guò)去幾年的變化和改進(jìn)感到振奮?，F(xiàn)在情況很樂(lè)觀，雖然我無(wú)法預(yù)測(cè)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(yīng)用經(jīng)理。