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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。

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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

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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。

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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。

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