向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了
广告

减小EMI、提高密度和集成隔离是2019年电源发展的三大趋势

时间:2019-05-28 作者:德州仪器Kilby实验室电源管理总监Jeff Morroni 阅读:
毫无疑问,电源在调节、传输和功耗等各个方面都成为日益重要的话题。人们期望产品功能日趋多样、性能更强大、更智能、外观更加酷炫,业界看到了关注电源相关问题的重要意义。展望2019年,三大广泛的问题最受关注,即:密度、EMI和隔离(信号和电源)。

毫无疑问,电源在调节、传输和功耗等各个方面都成为日益重要的话题。人们期望产品功能日趋多样、性能更强大、更智能、外观更加酷炫,业界看到了关注电源相关问题的重要意义。展望2019年,三大广泛的问题最受关注,即:密度、EMI和隔离(信号和电源)。

实现更高的密度:将更多电源管理放入更小的空间

由于IC光刻工艺和每个功能运行功率的大幅缩减,使得芯片上可集成更多功能和栅极,对成品的总体功率需求迅速增长,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。

ti-figure-1.JPG

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200 A时,仅1mΩ的引线/走线电阻可导致出现0.2 V IR压降和40 W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。解决方案将包括跨学科改进,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48 V,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:发射导致出现性能不确定和拒绝调节

ti-figure-2-1.JPG

ti-figure-2-2.JPG

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,降低EMI已成为一个更大的问题,快速了解一下当今的汽车就能证明。实际上,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,如自适应巡航控制雷达。

对设计人员来说,EMI方面的挑战在于它通常更像是一门艺术,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最大值。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:无源滤波器之类的解决方案是可用的并且可能非常有用,但它们在尺寸、重量和成本的可削减区域内仅可达到一定水平。更大的机会在于IC供应商如何从源头解决EMI问题,从而提供更好的结果并增强易用性,以满足必要的合规标准要求。

这些解决方案详细介绍了噪声的基本原理,并将降噪噪技术进行了分层:

·增加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。

ti-figure-3.JPG

图3:电气隔离类型。

电流隔离最常成为以下两个主要目的之一。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具有挑战性的隔离要求。

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中典型的严格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:5 kV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方法。然而,由于可传输的功率有限以及效率,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。

德州仪器(TI)作为电源相关组件和设计支持工具的领先供应商,正在开发促进和支持这些趋势的相关技术,包括材料、工艺、拓扑、电路和封装等。

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
您可能感兴趣的文章
  • 用1%电阻就能构建属于自己的差动放大器 在一种相对常见的情况下,1% 电阻器和一个较好的运算放大器便可以构建一个完全合格的差动放大器。当我们在负载“低侧”的情况下使用一个分流器进行电流测量时,共模电压常常非常小……
  • 让微控制器进入休眠状态后,到底能省多少能耗? 低功耗模式如何在真正的微控制器(MCU)上实现?这些模式如何影响嵌入式系统?在这篇文章中,将更详细探讨如何让微控制器进入睡眠状态,并看看到底能够节省多少能耗。
  • 模拟电路教程:电流源 什么是电流源?基本电流源其实就是向负载提供电流的电路。本设计实例简单介绍了下面几种电流源:称为电流镜的双晶体管电流源、Widlar电流源、Howland电流源,以及采用分立放大器和电阻器的低成本双极性电流源。
  • 差动放大器:良好匹配电阻器不可或缺的器件 在单片IC设计过程中,我们常常会竭尽所能地对内部组件进行精确的匹配。例如,精确匹配运算放大器的输入晶体管,旨在获得低失调电压。如果我们必须使用属于我们自己的离散晶体管运算放大器,则我们会得到 30mV 甚至更高的失调电压……
  • 融合GDT和MOV,Bourns打造创新型过压保护器件 在使用电子电气设备的众多恶劣环境中,雷电是其中的代表。我国某县城的统计数据显示,每年因雷电导致过压造成的设备损坏占整体的70.11%,单一工作单位的损失就可达数十万元。再加上如今消费者对于设备的功能要求越来越严苛和多样,促使电路保护元件已经从最开始的玻璃管保险丝,发展成为庞大的电子元器件分支。
  • 运算放大器的输入和输出电压范围到底有多大? 我们常常会收到一些与电源有关的应用问题,询问我们运算放大器的输入和输出电压范围到底有多大。既然大家存在这方面的疑惑,那么我们就利用这篇文章来为大家解疑释惑……
相关推荐
    广告
    近期热点
    广告
    广告
    广告
    可能感兴趣的话题
    广告