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电源工程师看过来:5大技术点+5大设计技巧

2022-08-08 15:30:17 ASPENCORE全球编辑群 阅读:
今天,五个关键领域一代代不断的改进正在帮助进一步推动电源的发展。另一方面,氮化镓和碳化硅这两种新器件也正在推动电力电子行业发生重大变化。考虑到上述电源领域的发展趋势,本文特地整理了这方面最新的热点应用和设计,希望能够为工程师朋友们提供一些设计启发。

从智能手机和电动汽车(EV)到电动汽车充电站和电信中心,电源管理日益成为实现我们每天使用的电子产品的关键因素。直到最近几年,高效电源管理往往在其他设计考虑因素中退居次要地位。但这种情况已经改变。在过去的5到10年中,诸如延长电池寿命,同时减小应用尺寸,使系统更安全,以及满足消费者对更可靠、更低成本、充电速度更快的系统的期望等考虑因素,加强了对解决关键电源设计挑战的关注。F07ednc

8月17日,AspenCore将在南京国际博览中心2号馆举办2022国际集成电路展览会暨研讨会(IIC),同期举办的“高效电源管理及宽禁带半导体技术应用论坛”上邀请了来自国内外优秀的电源管理及宽禁带半导体芯片原厂及测试测量厂商到场分享,具体议程见文末,点击这里报名参会。F07ednc

新工艺、封装和电路设计技术的改进为工程师设计的系统提供了最高水平的效率。随着世界消耗越来越多的电力,我们都需要努力使我们生产的能源走得更远,寿命更长。今天,五个关键领域一代代不断的改进正在帮助进一步推动电源的发展:F07ednc

  • 提高功率密度可在更小的空间内提升性能;
  • 降低 EMI (电磁干扰)可降低系统成本;
  • 低静态电流可延长电池的寿命和货架期;
  • 低噪声和高精度可提高信号完整性;
  • 隔离可提高安全性。

欲知详情,请参阅《塑造电源管理设计未来的五大趋势》。F07ednc

另一方面,氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)这两种新器件正在推动电力电子行业发生重大变化,它们在汽车、数据中心、可再生能源、航空航天和电机驱动等多个行业取得了长足的进步。那么,包括GaN和SiC在内的宽禁带(WBG)功率器件又有哪些技术优势以及发展趋势呢?F07ednc

据《从技术角度分析,GaNSiC功率器件上量还欠什么?》一文所述,电力电子技术正在复兴,GaN和SiC将成为硅MOSFET和IGBT的继任者。F07ednc

  • GaN功率器件相对于硅(Si)器件具有各种散热和电气优势。因此,GaN功率器件目前已开发出四种主要应用——激光雷达、DC/DC转换器、电机驱动和卫星电子。
  • 硅功率器件由于其禁带宽度和临界电场相对较低,正在达到其实际限制,这会导致大量的传导损耗和开关损耗以及较差的高温性能。SiC器件也由于其出众的材料特性,有着取代现有Si器件的应用潜力。

考虑到上述电源管理及宽禁带半导体技术出现的发展趋势,本文特地整理了这方面目前的热点应用和设计,希望能够为工程师朋友们提供一些设计启发。F07ednc

散热管理

众所周知,整个电力电子行业,包括射频应用和涉及高速信号的系统,都在朝着在越来越小的空间内提供越来越复杂的功能的解决方案发展。设计人员在满足系统尺寸、重量和功率等要求方面面临着越来越苛刻的挑战,其中包括有效的散热管理,这又从PCB的设计开始。欲知如何实现PCB layout散热优化,以及PCB基板选择,推荐参阅《一种大功率PCB散热管理的方法》一文。F07ednc

虽然GaN器件可实现更高的功率密度,但为了实现高可靠性的适销对路的适配器设计,仍有一些系统级问题需要解决。这些问题以散热设计和EMI合规性为中心。适配器内的电子电路必须要在放置它们的狭小空间中保持冷(表现出低温升)静(低发射噪声)。《利用GaN技术在狭窄的环境中保持冷静》着眼于实现这些目标的技术。F07ednc

尽管GaN FET降低的损耗足以确保在某些应用中进行适当的散热管理,但大功率转换器仍需要基于散热器的解决方案。《适用于CSP GaN FET的简单高性能散热管理解决方案》一文指出,由于品质因数更好,氮化镓等宽禁带半导体可提供比硅更高的功率密度,占用的裸片面积更小,因此所需的封装尺寸也更小。假设器件占用的面积是决定散热性能的主要因素,那么也就可以假设降低功率器件尺寸会导致更高的热阻。F07ednc

这篇文章演示了芯片级封装(CSP)GaN FET提供的散热性能为什么至少能与硅MOSFET相当,甚至更胜一筹。GaN FET由于其卓越的电气性能,尺寸可以减小,从而能在不违背温度限制的同时提高功率密度。本文还通过PCB布局的详细3D有限元仿真对这种行为进行了展示,同时还提供了实验验证,对分析提供支持。F07ednc

电源转换

对于刚入行的工程师朋友,我们知道,在电路系统设计中,总是离不开电源芯片的使用,林林总总的电源芯片非常多,比如传统的线性稳压器7805、低压差线性稳压器(LDO)、开关型降压稳压器(Buck DCDC)等。那么它们到底有什么区别呢?《一文带你了解降压型稳压芯片原理》就对各种降压型稳压芯片的原理进行了科普。F07ednc

系统设计人员常遇到的一个挑战是,要在大输出电流下将高DC输入电压转换到极低的输出电压,同时还要保持高效率、小尺寸的简单设计。《可实现高降压比的三种小尺寸解决方案》一文探讨了为什么采用非隔离式DC-DC降压转换器在大输出电流下将高DC输入电压转换成极低的输出电压会面临严峻挑战。本文将介绍三种不同的方法来实现高降压比,同时保持小尺寸。F07ednc

另一个挑战就是降成本。我们有时需要使用便宜的精密电源,《一种低成本精密电源设计》一文就展示了一种具有热过载保护和短路保护功能的精密电源设计,它可以提供100mA的电流。F07ednc

对于信息娱乐系统的电源设计,如果元器件布局和布线做得不好,那么伴随着较高功率密度的紧凑版图设计将会增加电磁干扰(EMI等潜在挑战。《提高信息娱乐系统功率密度的设计考虑》讨论了一些在不影响性能时提高功率密度的设计技巧。F07ednc

在超声波电源轨设计中,开关频率的噪声问题如何解决?》一文也指出,随着超声设备的功能越来越复杂、精度越来越高,以及对图像质量需求的不断增加,降低噪声等影响的措施也就成了超声成像系统中十分关键的要求。就拿如何提高图像质量来说,关键技术之一就是提高系统的信噪比(SNR)。F07ednc

碳化硅MOSFET在功率半导体行业取得重大进展,得益于其一系列优于硅基开关的优势,包括更快的开关速度、更高的效率、更高的工作电压和更高的温度,这也就带来更小、更轻的设计。这些优势让其在一系列汽车和工业应用中寻找到发展空间。不过,碳化硅等宽禁带器件也带来了不少设计挑战,如EMI、过热和过压等问题,我们可以通过选择合适的栅极驱动器来予以解决。详见《如何为SiC MOSFET选择合适的栅极驱动器》一文。F07ednc

电机控制

电机也是我们的一个耗电大户,目前许多应用已开始转用无刷直流电机(BLDC。例如,BLDC在机器人应用中就具有优势,但这却需要对电机控制器和驱动器进行特殊考虑。F07ednc

在过去二十年里,开发BLDC电机应用的工程师发生了变化,电机控制也发生了变化。今天的工程师更愿意专注于有什么可以使他们的设备设计与众不同,而不是构建复杂的推进系统。工程师们专注于更时尚的设计,具有最小的外形尺寸、直观的用户界面、实时功能、功能安全以及云数据共享。详情请见《用于机器人系统的BLDC需要高性能电机控制》。F07ednc

机器人高性能电机控制设计指南》中也指出,优化电机设计需要仔细选择电机类型、驱动器和电气隔离解决方案。F07ednc

电机控制设计的几个关键方面》则指出,电机控制系统由软件和硬件组成,硬件元器件又包括IGBT、宽禁带(WBG)半导体和MCU,这些元器件正变得越来越复杂。F07ednc

电池管理及无线充电/快速充电

现今的电子设备,小至TWS耳机和可穿戴设备,大至电动汽车,都离不开锂离子或聚合物电池的供电。依据电子设备所需电力的大小,电池组可能由多个电池单元(电芯)排列而成。电池组的充电和放电、输入/输出电压和电流等状态都需要精密监控和测量,以保证电子设备的安全供电。这就需要一种专门监控电池组运行状态的电池管理系统(BMS,用于电池组的监控、计算、通信和保护。F07ednc

BMS能够密切监视、控制和分配整个电池系统在使用寿命期间的可靠充电和放电。精确监控电流和电压分布至关重要,因为电池过度充电可能会引起火灾或爆炸,而充电不足(或完全放电)则会导致电池失效。BMS的质量直接影响电子设备的续航能力,优质的电池管理系统能够较大限度地延长电池的整体使用寿命,从而降低总拥有成本……详情请见《电池管理系统(BMS):电源管理、模拟信号链与数字微控制器的完美结合》一文。F07ednc

无线充电方面,自从100年前物理学家尼古拉·特斯拉提出无线电力传输的构想,这项技术已经取得了极大的进步,但在商业化应用方面一直进展缓慢。直到最近几年手机无线充电流行起来,“无线充电”这一技术才为大众所熟知,在帮助手机用户摆脱线缆纠缠的同时,开始渗透到更多应用领域,小至TWS耳机和微型IoT传感器,大至厨房电器和电动汽车。详见《国产无线充电芯片的技术和应用分析》一文。F07ednc

快速充电方面,电动汽车是一大市场热点。例如,《如何应对电动汽车充电系统的设计挑战?》文章中谈到,电动汽车充电需要的不仅仅是充电站车道上的电源插座。电动汽车数量的增加,提高了对电能需求,同时还需改进电网管理系统,提高充电器的能效,整合家庭能源管理。F07ednc

人们对家庭和办公场所的智能充电以及更快充电有着巨大的需求,这就需要从交流充电器转向直流充电器。此外,还需考虑安全问题,包括对电动汽车电池的认证。用户还希望能够在任何地方充电,既可以随时随地安全支付,也可以将充电与单个中心账户和账单相关联。F07ednc

电动商用车的三种不同充电方案》则介绍了,随着重型或商用车辆的电气化,为比电动乘用车更大的电池充电变得必要。由于时间就是金钱,特别是在物流领域,分配空闲时间进行充电或增加充电功率是首选方案。这导致了三种不同的充电方案。F07ednc

开发基于碳化硅(SiC)的25kW快速直流充电桩》一文则指出,快速直流充电市场正在蓬勃发展。伴随着电动汽车(EV)采用的加速,对快速充电基础设施的需求也在增加。对于工程师来说,这里可能会出现一个基本问题,特别是如果自己是第一次面临这样的挑战。我们应该如何开始,从哪里开始?关键的设计考虑因素是什么,应该如何解决它们?F07ednc

安森美的EMEA系统工程团队正准备帮助设计人员解决这样的挑战,他们在这篇文章中演示了设计和开发基于SiC功率集成模块(PIM)的25kW快速直流充电桩。F07ednc

在这个系列文章中,安森美的专家们谈论了直流充电器的开发过程,在每一部分探讨不同的主题。将聚焦所面临的关键挑战、权衡和妥协,并展示如何从头设计、构建和验证这样的系统。我们知道设计之路并非一帆风顺,向前迈进的最佳方式是快速启动、运行和迭代。F07ednc

那么,国产电源IC企业在快充市场又有什么机会?《国产电源IC企业如何掘金快充市场?》一文中指出,在人们越来越依赖电子产品的今天,每天给电子产品充电已经是每个人必不可少的事情。小到智能手机、TWS耳机、电动牙刷、充电宝,大到笔记本电脑、平板、甚至是电动汽车,如何实现快速且安全的充电,是各大终端厂商发力的重点。F07ednc

能量采集

想要实现无电池的传感器设计,就需要从环境中的能量源采集能量。如《利用热能和振动能为IoT设备供电》所述,在将自己的选择范围缩小到可用的能量源之后,下一个标准将是可用的能量大小和所需的能量大小。太阳能和风能采集可为大功率解决方案提供坚实的基础。热量作为来自发动机、机器和其他来源的浪费副产物通常很容易获得。热梯度采集是捕获环境热量并将其投入使用的过程。在利用环境现象获取能量的众多方法中,利用压电器件将振动转化为电能的方法似乎特别有效,根据尺寸和结构,它能够产生数百微瓦的电能。F07ednc

更多重要趋势

随着各国相继明确“碳中和”目标,宽禁带功率半导体在消费电子、汽车电子、工业自动化、5G通信等领域将迎来前所有未的黄金发展期。作为宽禁带半导体中率先落地的材料,SiC(碳化硅)、GaN(氮化镓)的市场现状如何?《宽禁带功率半导体的竞争格局及趋势分析》一文从SiC、GaN产业链出发,梳理并分析了相关企业的融资进度、竞争格局及发展趋势。F07ednc

碳化硅电力电子应用不止于汽车》一文中则谈到,碳化硅正在发挥其众所周知的潜力,在过去五年内,汽车行业一直是该材料的公开试验场。基于SiC的传动系统逆变器——将来自电池侧的直流电转换为电机侧所需的交流电的功率转换器——比基于Si IGBT的原型产品更小、更轻、更高效。F07ednc

然而,电气化议程不会以汽车开始和结束。更广泛的运输应用将很快出现,包括卡车和公共汽车、船舶和航运、火车的进一步电气化,甚至飞机。在供电方面,并网太阳能发电系统和通过高压直流(HVDC)链路传输能源,对于低碳能源的生产和分配也至关重要。F07ednc

这些应用的一个共同主题是更高系统电压的潜在作用,因此,就需要使用更高电压的功率器件。F07ednc

据《2022,碳化硅半导体元年?》一文所述,碳化硅凭其优异的高压、大电流和高频特性,使其特别适合于电动汽车动力系统以及其他的高功率密度的各种应用。来自半导体巨头意法半导体和微信科技的专家均预测,2022年,碳化硅应用将具爆发潜力。两公司均已推出可商用的模块和参考设计,助力工程师快速开发高压动力系统。F07ednc

SiC为何会突然流行,哪些应用在推动需求?F07ednc

碳化硅(SiC)在各行业的应用已经有数百年历史。如今,它作为半导体材料比以往任何时候都更受市场的欢迎,这主要得益于它在工业领域的广泛应用。F07ednc

在这篇文章中,探讨了SiC为什么会突然流行,哪些化学特性支撑它成为如此好的工业应用材料,以及有哪些应用在推动SiC需求的增长。F07ednc

GaNFPGA电源设计中的采用率在上升》一文指出,现场可编程门阵列(FPGA)可用于各种信号处理应用,但工程师必须要确保高精度,从而支持硬件的广泛需求。为现代FGPA设计电源时,外形尺寸和散热性能是需要考虑的两个因素。F07ednc

此外,《新型汽车功率器件引起有益连锁反应》中则谈到,新功率器件正大量涌现。随着汽车的动力总成、信息娱乐系统、配件等日益电气化,对于需要更高电压/电流、强调耐久性和温度范围性能的非汽车类等其他领域,也会造成同样意想不到的连锁反应。F07ednc

各位工程师朋友,你们是否能看见这些元器件在非汽车领域设计中的重要地位呢?当你们为自己的设计难题苦思解决之道时,是否曾想过使用那些表面上针对其他应用而设计、看似与自己无关的器件呢?F07ednc

最后,安利一下,8月17日,AspenCore将在南京国际博览中心2号馆举办2022国际集成电路展览会暨研讨会(IIC),同期举办的“高效电源管理及宽禁带半导体技术应用论坛”上邀请了来自国内外优秀的电源管理及宽禁带半导体芯片原厂及测试测量厂商到场分享,下图是具体议程,欢迎扫码报名参会。F07ednc

另特别感谢以下赞助商对IIC 2022南京站活动的大力支持(排名不分先后):F07ednc

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