浅析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

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

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

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。