当今各行各业都需要速度更快、效率更高的电子产品，以便能在几秒钟内处理大量数据。但这一需求是以增加功耗为代价的，这就大大增加了运行这些电子系统所产生的费用。电费约占运行全尺寸数据中心费用的45%。一个中等规模的数据中心可能需要大约50MW的电力容量，这足以为4000户家庭供电。由于产生这些能量使用了大量不可再生资源，消耗这些能量给环境带来了很大的压力。因此，我们需要高效的电源管理解决方案来应对这些挑战。
电动汽车(EV)和智能手机等行业一直在研究延长其产品电池寿命的技术。如今的消费者需要提供不间断的服务，同时又要做到更便宜、更安全和更高效。因此，电源管理已成为当今的一个重要领域，研究人员致力于通过提高工作频率并同时最大限度地减少损耗来提高半导体集成电路(IC)的功率密度。他们正在开发更新的氮化镓(GaN)基和碳化硅(SiC)基IC来促进高频操作。除了更新的化合物，德州仪器(TI)等领先的电子元器件制造商正在使用改进的工艺、封装和电路设计技术来满足电源管理的工业需求。电源管理包括提高功率密度、减少电磁干扰以及在存在高压线的情况下保持电源和信号的完整性。
高效的电源管理包括增加电子设备的功率传输能力，同时最大限度地减少损耗并保持信号完整性。制造商们正在寻求利用五个主要趋势，以便为消费者提供最先进的电子产品来满足他们的需求。这五个趋势是：
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增加传输功率通常需要增加所用电子设备的尺寸，以便防止过热并解决损耗问题。然而，由于在电动汽车、智能手机以及其他消费和商用电子产品等各种应用中，可用于容纳电子元器件的空间有限，因此增加尺寸并不可行。因此，设计人员需要在提高效率和散热性能的同时加入更多电子元器件。提高工作频率有助于提高功率密度并减小电感器、电容器和变压器等无源元件的尺寸，但提高工作频率会受到较高的开关损耗、反向恢复损耗、高导通损耗和关断损耗以及散热性能等因素的限制。
图1：HotRod封装消除了邦定，同时保持了出色的散热性能。
因此，要达到以前无法达到的功率密度限制，必须单独解决上述每个限制因素——减少开关损耗，提高封装散热性能，采用创新拓扑和电路，并最终将它们集成起来以形成封装。
为了减少开关损耗，业界将GaN和SiC等新型化合物用于高压和高频应用。GaN表现出零反向恢复、低输出电荷和更高的电压转换速率等特性，因此能实现一些硅基MOSFET所无法实现的新拓扑，从而提供更高效率。
TI已利用GaN的这一特性来提供更低的损耗并实现更高的开关频率。除了较新的化合物，从IC封装中散热的能力也直接影响着功率密度。因此，TI开发了HotRod封装技术，也即用倒装芯片式封装取代了所典型使用的邦定式的方形扁平无引脚封装(QFN)，从而显著降低了寄生回路电感，进而有助于减少发热。
IQ是电路受到启用但不支持或未运行负载时所使用的电流量。最小化IQ对于降低功耗和延长电池寿命很重要。不连续运行的物联网系统会使用大量IQ为不同的板载模块供电，因此要延长电池寿命，就需要仔细优化IQ。但降低IQ也有其缺点——低IQ电流意味着设备的瞬态响应时间会增加。这是因为IQ的幅度较低会造成内部寄生电容花费相对较长的时间来充电。
图2：快速唤醒和低待机功耗。
一种降低IQ可行的方法是根据负载电流设置不同的省电模式。虽然这些模式之间的切换是自动的，但当以较低的IQ运行时，在这些模式之间切换所需的转换时间会显著增加，从而导致输出电压出现误差。通过使用超低漏电元件和新型拓扑结构，TI可以实现低待机功耗。为了实现更快的响应时间，TI使用了快速唤醒电路和自适应偏置，同时保持了较低的静态电流。
EMI是由于附近有其他电磁设备运行而导致的电气通路中不期望的噪声和干扰。当不同的制造商制造不同的元器件而用于一个封装时，他们会尝试将其保持在一定的限度内。TI使用先进的扩频技术来减轻EMI所产生的影响。为了进一步提高较低频谱中的抗EMI能力，TI在其许多器件中都使用了有源EMI滤波方法。扩频方法使用能量守恒原理来分散EMI峰值而将其分散在多个频率上。
图3：通过将高频电容器集成到封装内部降低辐射噪声。
高精度系统需要对系统参数进行精确监控，这反过来又需要参考信号具有低噪声失真。为了最大限度地提高系统的可靠性和性能，电源链路中信号的监控、调节和处理至关重要。为提高精度并减少失真，TI使用了专门的工艺元件以及先进的电路和测试技术。对于电动汽车的电池监控、测试和测量以及医疗等应用，TI使用最先进的电源处理技术来提高精度，最大限度地减少失真并降低线性和开关电源转换器的噪声。
电气隔离是AC和DC或高压AC/DC和低压AC/DC两个电路之间的隔离。这样做是为了保护低压侧或DC侧免受高压侧所可能发生的浪涌和故障的影响。电流隔离是电子产品中最常用的隔离，它可以将两个域隔离，而同时又能支持电力和信号跨隔离栅传输并提供抗噪声能力。SiO2隔离电容和集成变压器等TI先进的隔离技术超越了所有全球标准，同时提供了卓越的性能。
世界各地的制造商都在通过优先考虑电源管理来提供可持续的解决方案，同时满足对更快、更高效的电子设备日益增长的需求。这篇文章介绍了TI等顶级公司在制造低功耗、高性能电子元器件时所遵循的五大趋势。
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（原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Top 5 Trends in Solving power Management Challenges，由Franklin Zhao编译。）
本文为《电子技术设计》2023年3月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里。
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