减小EMI,提高密度和集成隔离是2019年电源发展的三大趋势

毫无疑问,电源调节、传输和功耗都是日益重要的话题。人们期望智能产品功能日趋多样、性能更强大和外观更加酷炫。但是,所有电子产品都离不开电源,而且随着功能的丰富,业界看到了关注电源相关问题的重要意义。展望2019年最受广泛关注的三大问题是:密度、EMI和隔离(信号和电源)。

实现更高的密度:缩小电源管理所占的空间

由于半导体工艺技术和芯片功耗技术的进步,芯片上可以集成工作功能和晶体管,由此又增大了芯片的总体功耗,如图1所示。一些处理器现在可以消耗几百安培电流,并且可以在不到一微秒的时间内从低电流状态上升到完全激活状态。通过降低损耗和提高热性能实现“在硬币大小的面积上达到千瓦级功率”的密度目标并非一句玩笑话。

“图1:从1992年到2010年的产品热密度发展趋势”
图1:从1992年到2010年的产品热密度发展趋势

问题不仅在于管理功率和因此产生的功耗,由于存在基本的I2R损耗,即使在电源负载路径中明显“可忽略”的电阻也成为了有效功率输送的主要障碍:在200A时,仅1mΩ的引线/走线电阻可导致出现0.2V IR压降和40W损耗。此外,因为可以靠近负载放置,使用较小的转换器也存在两难问题,这一方面有利于减少走线损耗和噪声拾取,但也成为负载附近的一个发热源,导致温度升高。

与功率密度相关的趋势:

单颗“魔弹”可能无法解决密度难题。解决方案包括跨学科改进,它将导致:

  • 更高频率的开关;

  • 将电源管理功能(或其电感)移到处理器散热器下方;

  • 更高的轨电压,如48V,以最小化IC压降;

  • 新封装类型;

  • 将无源元件集成到芯片上或封装中。

减小EMI的挑战:复杂度超出科学范畴

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“图2:禁用和启用扩频的噪声比较”
图2:禁用和启用扩频的噪声比较

随着电子产品更广泛、更深入地扩展到大众市场应用中,如何降低EMI已成为一个更大的问题。以现时的汽车作为例子,由于难以抑制AM波段EMI,一些电动汽车/混合动力汽车不再提供AM无线电选项。当然,汽车中的EMI不仅仅会影响无线电,还会影响任务关键型ADAS(先进驾驶辅助系统)功能。

对设计人员来说,EMI方面的挑战在于它通常比一般学科更像是一门艺术,而非一门科学。建模是一个难题,其解决方案通常需要反复试验才能将其降至所需的数值。此外,EMI并非单一实体,而是具有不同的来源、路径和外观。例如,通常引线布线和PCB布局会产生较强的辐射性EMI,而转换器设计和无源滤波器网络则产生更强的传导差分模式EMI。

与EMI相关的趋势:

虽然己经有无源滤波器相关的解决方案,但因为尺寸、重量和成本的问题未能被广范应用。很可能要等IC供应商从源头解决EMI问题,提供更好的产品并增强可用性,以满足必要的标准和要求。

这些解决方案详细介绍了噪声的基本原理,并将降噪技术进行了分层:

  • 更多使用扩频技术来扩散噪声能量,从而降低其在整个频谱上的峰值;

  • 封装,包括集成无源元件,可减少开关时引起电压尖峰和振铃的寄生效应;

  • 调制功率器件栅极驱动,以减少产生噪声的dV/dt回转,同时不影响效率。

增强隔离:确保A点与B点之间无电流路径

尽管电气隔离技术已经使用了很多年,但新工程师通常对其了解甚少。简而言之,它提供了一个屏障,因此输入和输出级之间没有欧姆(电流)路径,但允许电源和信号能量通过该屏障。可以通过各种方法来实现隔离,包括光学、磁性、电容或小型RF耦合,如图3。

“图3:电气隔离类型”
图3:电气隔离类型

电流隔离最主要的目的有两个。首先,它为具有内部潜在危险性高电压系统的用户提供了安全性,它可以确保系统中存在任何内部故障时,都无法影响到用户。其次,它实现了一大类创新型电源系统架构,其中初级侧和次级侧之间必须没有可能的公共电流,例如当一侧接地时,另一侧处于不接地连接的“浮动”状态。

人们对隔离的需求受到各种情况的驱动,例如工厂自动化、广泛的人机界面(HMI)、太阳能电池板和医疗仪器。GaN和SiC功率器件的dV/dt额定值较高也推动了隔离的要求。

与隔离有关的趋势:

隔离可以仅用于电源轨、信号线(数据)或同时用于两者。理想情况下,IC供应商可以将电源和数据隔离集成在同一个封装中,以确保安全性和可靠性。此外,由于集成了数据和电源隔离功能,IC供应商可以针对这些应用的严格EMI标准更好地进行控制和设计。

所需的隔离级别是应用的一大功能:5kV增强隔离在许多情况下是足够的,并且有详细的行业标准对其进行定义。

由于具有卓越的共模瞬态抗扰度(CMTI)性能和数据完整性,使用隔离电容进行数据传输是一种流行的作法。然而,由于可传输的功率有限以及效率不高,对于大多数功率传输应用来说隔离电容是不可行的。因此,当需要功率传输时,磁性方法成为了优选方案。结合这两种方法,可以在同一封装中实现完全“自偏置”收发器等解决方案,同时具有隔离电源和数据连接。此类产品和技术创新真正改变了这些安全关键应用中的游戏规则。

结论

电源功能、组件和传输方面的进步是跨学科的。因为密度、EMI和隔离密切相关,例如,降低EMI会导致无源滤波器尺寸减小,从而获得更高的功率密度。进步将来自“堆叠”创新,带来更多重大技术发展。其中包括充分表征的宽带隙(WBG)功率器件、改进的器件管芯热界面、增强的无源器件和功能集成、先进工艺技术的开发和创新的电路IP。

本文转载自:德州仪器
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