物联网正在推动电力行业达到新的效率、测试策略和创新水平

如果有人要开发一种“永久电池”，那么电子工程师优先考虑的功率效率很有可能会比现在低得多。但是，尽管有无数的研究投资，但没有这样的电池即将出现。相反，在现实世界中，设计人员必须尽一切可能限制功耗。泰克应用工程师 Seshank Malap 表示，物联网尤其如此，他认为物联网在设计、测试和测量方面都引发了一波与电源相关的创新浪潮。

Malap 在过去六年中一直在电力行业工作，设计和测试功率半导体、UPS 系统、汽车电池充电器和汽车电机驱动器。我们与他讨论了他从设计和测试和测量的角度看到的行业发生的变化。

问：物联网的兴起对电力行业有何影响？答：由于需要始终保持连接，因此在过去十年中，对更高效电力利用的需求呈指数级增长。随着物联网的兴起，越来越多的物理对象被无线连接在一起。这导致大量物联网传感器和设备需要日复一日地保持和传输，以便它们可以收集和传输大量数据。这需要很大的功率。

物联网设备的持续始终在线以及其中大多数是电池供电的事实需要新的电源管理解决方案。电源工程师被要求突破极限，以实现超高功率效率和超低功耗，以便从源中挤出尽可能多的功率。90 年代的高功率效率以及纳到皮安培的功耗和睡眠模式电流变得非常普遍。

满足这些要求正在推动整个电力生态系统的创新，包括新的测试和测量技术的出现。

Q：物联网时代工程师面临哪些挑战？答：毫无疑问，物联网带来的工程和测试挑战是巨大的。工程师必须弄清楚如何从这些新设备中榨取更多功率，更重要的是，如何实际测试和验证设计是否可以在现实世界中工作。同样，电源设计中对超高效率和小尺寸的需求促使工程师使用越来越高的开关频率和更小的组件封装。这导致了新的宽带隙开关技术的开发和使用，例如氮化镓 (GaN) 和碳化硅 (SiC)，其开关速度明显快于传统硅器件，并提供紧凑的封装。这带来了一系列非常困难的测试挑战。

然而，总而言之，这些趋势对于电源设计的未来来说是令人兴奋的，并且是电子行业的关键创新领域之一。我认为我们会从这些变化中看到一些令人惊叹的进展。但要解决上述挑战，需要工程师做大量工作。希望我们这些在测试和测量领域的人可以通过至少使他们的测试工作更容易和（咳咳）更有效率来帮助他们。

物联网设计中对能效的需求推动了电源转换设计的创新，进而推动了测试设备设计的改进，例如具有百万比一共模抑制能力的泰克 IsoVu 探头。图片来源：泰克。

问：这个领域还有哪些其他趋势和挑战？答：除了超高效率、更小的外形尺寸和超低功耗所面临的挑战之外，还有大量不断变化的监管标准正在将电源设计推向更高效率的方向。例如，美国能源部最近推出了针对消费产品的外部电源 (EPSes) 的 VI 级效率标准，比以往任何时候都增加了更多的效率要求。不甘示弱，欧盟发布了行为准则 (CoC) Tier 2，甚至比 DoE 的 Level VI 更严格。

标准机构正在寻求更高的效率，这意味着对相同类型的设备进行更多测试，尤其是电源。这些要求几乎适用于每个垂直行业，因此影响无处不在。而且影响不仅限于电源或电池充电器；最近刚刚推出了一项针对 LED 驱动器的标准，以推动电以及电光转换效率。

在许多方面，这些标准是设计师最糟糕的噩梦。因为标准（以及世界各地的其他类似标准）是活文件，工程师必须时刻准备好推动更高的效率。每隔四年左右，标准就会达到更高的电源效率和更低的待机功耗要求。除了在运行时高效之外，设备还必须在不做任何事情时表现出非常非常低的功耗。

问：测试和测量在推动这一领域的创新方面发挥了什么作用？答：要了解测试和测量的作用，了解关键趋势和挑战非常重要。如前所述，获得更高的效率需要许多创新的设计方法，其中之一就是提高开关频率。这就解释了为什么宽带隙功率器件在新的电力电子设计中变得非常流行。但这些设备都有自己的测试挑战。一方面，您需要极高的带宽，另一方面，您需要非常高的灵敏度，因为开关和门控信号变得更加关键和敏感。工作频率高还需要同时测量更多信号以优化时序和占空比，从而充分利用设计。

在部署 GaN 和 SiC 等新技术时，对组件级别的测试和评估的需求也显着增加。这些设备需要进行高达数千伏的击穿测试，同时还要检查可能低至毫微微安培的泄漏电流。考虑到它们所部署的要求苛刻的设计，对这些器件（从晶圆到封装部件）进行稳健测试变得非常关键。

在系统级别，测试极高效率、满足效率要求的较小增量设计更改以及在所有操作模式下测试准确功耗的需求变得非常重要。

可以肯定地说，在系统中的更多测试点和设计的所有阶段进行准确测试变得比以往更加重要。旧的测试工具和技术根本不足以应对电源设计人员面临的不断变化的趋势。

问：你能多谈谈新材料吗？我们听到了很多关于宽带隙设备的信息。它们基本上是 GaN 和 SiC。SiC 由更高的功率需求和热稳定性驱动，而 GaN 由更快的上升时间和下降时间驱动。这些趋势为具有更快开关速度（需要测量任何 H 桥拓扑中的浮动 Vgs 和 Vds 测量值）以及对栅极阈值电压和时序更敏感的功率转换电路引入了新的复杂性。此外，由于工作频率高，需要同时查看更多信号。所有这些都需要新的测试工具和新的方法来优化给定应用程序的性能并确保可靠性。

问：测试和测量行业如何帮助设计人员满足这些新要求？答：总体而言，该行业在支持电力行业方面做得很好，设计人员可以找到用于电力电子设计的仪器和软件解决方案，涵盖从组件测试到成品最终合规性测试的方方面面。具体技术范围从源测量单元 (SMU) 和组件级别的参数测试仪到示波器和功率分析仪，以及用于执行 EMC 预一致性测试的低成本频谱分析仪等工具。现在可以使用采样数字万用表等日常仪器，这些仪器可以解析低至 pA 的睡眠电流，并且仍然显示高达 1 MHz 的脉冲电流，使工程师能够在所有工作状态下表征直流电源曲线物联网传感器，进而最大限度地延长电池寿命。

审核编辑 黄昊宇