低功耗电子技术是一个快速发展的领域，对于解决当今的能源挑战至关重要。从手机到电动汽车，所有设备都参与了这一进程。效率是指导着低功耗设计关键原则的关键词，新兴技术和战略可在所有电气和电子应用中最大限度地提高能效。
使用能耗低的设备比使用能耗高的设备更有益。原因有很多，从散热到电力成本、空气污染和电池续航能力。当然，专注于低能耗的设备设计意味着要进行更深入的研究，对电子解决方案进行更复杂的构思，以及使用高质量组件，所有这些特点都很可能增加设备的最终价格。
然而，低能耗电气系统的优势是毋庸置疑的。降低能源成本极其重要，尤其是对于数据中心和工业厂房等大型系统而言。即使是几千瓦的能耗，也能在很大程度上节省大量成本。能耗更低的电子元件自然会在更低的温度下运行，从而延长元件寿命和可靠性，同时减少更换和维修的需要。
如今，大多数设备都是便携式的，或者至少使用电池供电。在智能手机、笔记本电脑、灯具、收音机和可穿戴设备等这类设备中，能源效率至关重要，它可以延长电池寿命，为用户带来更多便利，并减少频繁充电的需要。
低功耗设计几乎适用于所有现有设备，例如移动设备(智能手机、平板电脑、笔记本电脑和需要较长电池寿命的可穿戴设备)、物联网(IoT)设备(尤其是传感器和执行器)、消耗大量能源的数据中心以及电动汽车(更高的效率意味着更大的自主性)。所有这些优势也会降低对环境的影响，能源消耗降低，温室气体排放也会随之减少。
能够消耗尽可能低能量的设备的目标集中在许多不同的策略上，涉及化学、物理和电气技术。但主要目标是共同的，即最大限度地减少所有电子元件(即使是最“无害”的元件)的功耗。设计人员必须仔细选择这些元件：电阻器、电感器、变压器、MOSFET和二极管需要非常明确的特性。
此外，选择最佳组件来确保较低的功耗是不够的，还需要确保最佳运行条件，这取决于所采用的电路配置、可能使用的开关频率以及所涉及的电压。因此，设计人员必须选择低功耗组件、优化电路并使用出色的电源管理技术。
降低电源电压可以显著降低能耗，但对于汽车应用而言，有一种相反的趋势，即提高电压，降低电流，因为需要更薄更轻的连接。无论选择哪种工作电压，良好的规划都可以生产出低功耗设备，特别是通过智能电源设计，关闭或将电路中未使用的部分切换到节能模式以降低能耗。
如果不使用与电子元件相关的低功耗技术，所有这些努力都将徒劳无功。如今，使用SiC和GaN等宽禁带半导体比以往任何时候都更能有效节约能源，这要归功于它们的高击穿电压、高电流、低导通电阻(Rds(ON))、高开关频率、高工作温度、较低的开关损耗、较小的尺寸和重量、更高的功率密度以及更低的寄生电容。
如前文所述，要获得高效、低功耗的设备，并不存在单一的神奇方法，相反，必须遵循各种策略。其中之一涉及开关频率，尤其是对于转换器和逆变器等功率器件。图1中的通用图显示了一个基于MOSFET的简单开关电路。其主要功能是使用由V1产生的控制信号来控制流过负载(由R1表示)的电流。
图1：基于MOSFET的简单开关电路
选择最佳开关频率是实现完全符合EMI降低规定的高效解决方案的关键点之一。一般来说，应尽量减少电路功能所需的开关次数。一个非常简单的仿真结果表明，工作频率越高，功耗也就越大。
开关状态下的MOSFET会随着频率的增加而消耗更多能量。这主要是由两个因素造成的：
图2显示了普通的SiC MOSFET随开关频率变化的功率特性图。X轴显示开关频率，而Y轴显示该频率下MOSFET的平均功耗。设计人员面临的挑战是使用合适的频率来平衡不同的参数，即EMI、声波的产生(即使在高次谐波中)以及许多其他参数。选择正确的频率不是一件简单的事，它不能太低以免引起声学和声音干扰，也不能太高以免引起EMI。此外，还必须根据MOSFET驱动器的技术规格仔细选择频率。
图2：普通SiC MOSFET随开关频率变化的功率特性
另一个低功耗设计标准是基于Rds(ON)参数，该参数确定了MOSFET处于导通状态时的导通电阻。该参数应尽可能的低，以最大限度地减少导通损耗和相关功耗。一些网站提供了选择最佳MOSFET的计算工具。这一参数是设计人员在项目中首先要考虑的，但同时也要注意器件可达到的最大开关速度和寄生栅极电容。
图3显示了三种具有不同Rds(ON)电阻值的SiC器件在不同开关频率下的平均耗散。该参数始终是越低越好。在示例中，使用了三个分别为27mΩ、80mΩ和150mΩ的普通SiC MOSFET。电阻值越高，结温和“container”温度就越高，显然，电路的效率也就越低。
图3：三种具有不同Rds(ON)电阻值的SiC器件在不同开关频率下的功率耗散
设计人员还应仔细考虑用于激活MOSFET的适当栅极电压(Vgs)。该电压应足够高，以便在开启时将MOSFET驱动至饱和状态，也要足够低，以便将其完全关闭。还必须仔细评估用于驱动栅极的优秀驱动器。良好的驱动器应确保高栅极电流以快速开启和关闭MOSFET，从而减少开关损耗。
所有功率元件都必须能充分散发产生的热量，设计人员必须提供适当的冷却系统，因为过热会降低性能并缩短元件寿命。此外，对印刷电路板(PCB)轨道进行细致的研究至关重要，因为它们构成了一个电感和电容系统，很可能产生不必要的寄生电抗。因此，设计人员不仅要关注纯粹的电子问题，现如今，他们还必须致力于使用相关方程式创建复杂的热电路，包括研究使用各种形状和尺寸的铝或铜散热器，这些散热器具有精确的热导率，必须能够应对对流系数变化的不同环境条件。而只有进行了所有这些分析，才有可能设计和实施有效的解决方案。如今，有许多有效的电子仿真器可以准确仿真不同工作条件下的各种可能情况。
事实证明，低功耗设计是一个极具活力且不断发展的电子领域，对于解决当今时代的能源和环境挑战至关重要。技术创新有望进一步突破效率极限，为日益高性能和可持续的设备铺平道路。例如，能量收集是一个前景广阔的前沿领域，它允许使用可再生能源为电子设备供电，从而进一步减少对环境的影响。尽管日益增加的系统复杂性和设备微型化会带来挑战，但人类的聪明才智和科学研究仍在不断寻找创新的解决方案，为低功耗电子产品和更绿色的世界开辟美好的未来。
(原文刊登于EDN姊妹网站Power Electronics News，参考链接：Low Power Design，由Ricardo Xie编译。)
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