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)。z7Sednc

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。z7Sednc

ti-figure-1.JPGz7Sednc

图1:从1992年到2010年的产品热密度发展趋势。z7Sednc

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。z7Sednc

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:z7Sednc

·更高频率的开关;z7Sednc

·将电源管理功能(或其电感)移到处理器散热器下方;z7Sednc

·更高的轨电压,如48 V,以最小化IC压降;z7Sednc

·新封装类型;z7Sednc

·将无源元件集成到芯片上或封装中。z7Sednc

减小EMI:发射导致出现性能不确定和拒绝调节

ti-figure-2-1.JPGz7Sednc

ti-figure-2-2.JPGz7Sednc

图2:禁用和启用扩频的噪声比较。z7Sednc

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。z7Sednc

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。z7Sednc

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。z7Sednc

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:z7Sednc

·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;z7Sednc

·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;z7Sednc

·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。z7Sednc

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。z7Sednc

ti-figure-3.JPGz7Sednc

图3:电气隔离类型。z7Sednc

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。z7Sednc

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。z7Sednc

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。z7Sednc

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。z7Sednc

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。z7Sednc

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。z7Sednc

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。z7Sednc

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
  • 升压放大器让设备兼具小身材和大音量 消费者现在都用非常小巧的设备来听音乐,但是锂电池和低压电源通常不能实现大音量的音频效果。升压放大器因其可以增加响度,同时能实现极小尺寸的封装和超低的功耗日渐流行。
  • 独石电容、瓷片电容、陶瓷电容什么关系? 独石电容和瓷片电容都属于陶瓷电容,整体构造上看独石电容和瓷片电容的区别是:独石电容是多层陶瓷电容的别称,独石电容是由多层介质和多对电极构成的,而瓷片电容一般是由一层介质和一对电极构成的,瓷片电容分为高频瓷介和低频瓷介两种。
  • 提高极低压差稳压器输出电流,实现均匀散热的并联设计 本文说明如何将3 A LT3033极低压差稳压器(VLDO)并联产生3 A以上电流并改善散热情况。利用LT3033的内置输出电流监测功能可以简化并联电路的设计,实现均流。
  • 小米引爆的GaN快充离成熟还差一步 EDN上的文章《一文看懂小米捧红的氮化镓快充到底是什么?》对GaN技术进行了详细科普。本文就来讨论下这项技术的现状以及未来又会有何发展。
  • 2020:消费电子产品未来几年趋势预测 一年伊始,正是对未来做些预测的时候。作者对未来几年消费电子产品的发展趋势提出了自己的观点。他认为,深度学习、自动驾驶汽车、5G设备、处理器、电池等将会快速发展,其中深度学习会影响未来的许多应用,包括自动驾驶汽车、网络安全,甚至各国的选举。
  • 小米GaN氮化镓充电器实用吗?我们对比了五款65W PD充电 2020年2月小米一口气更新了多款65W PD充电器,包括使用了氮化镓的小米GaN充电器、多口小米2A1C充电器、魔改A口PD充电器等等,应该是单月内发布最多同功率充电器的品牌商了。他们之间功率器件不同、协议不同、设计不同、价格也不同,小编整理了小米最热门的五款65W充电器,细说他们之间的不同之处。
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