關于高壓創(chuàng)新問題的探討

高壓創(chuàng)新為何如此重要?這是我們常聽到的問題，而答案可能會讓你大吃一驚。最近，我與我的同事ChrisSchairbaum就如何通過高壓創(chuàng)新重新定義電源管理的問題共同撰寫了一篇白皮書。我們在這篇白皮書中回答了一些客戶常常詢問有關高壓的問題。

問：高壓創(chuàng)新如何對不斷增加的電力需求產生影響?

答：高壓創(chuàng)新旨在提高電力傳輸和轉換的效率，從而降低電源和終端設備之間的功耗。這些創(chuàng)新帶來發(fā)電方式的改變，例如，引入了可再生能源，并且提升了電機和致冷設備等耗電量較大設備的節(jié)電性能。所有這一切使能效穩(wěn)步上升，從而降低成本，并且減少溫室氣體排放。

問：半導體和集成電路在哪些方面適合高壓方程式?

答：先進的半導體元件是讓發(fā)電、輸電和電力使用更加高效的最重要技術之一，并且這項技術還在不斷發(fā)展中。用集成電路(IC)實現(xiàn)的智能控制和碳化硅、氮化鎵等全新功率半導體材料的使用可以用最小的損耗實現(xiàn)電力轉換和管理。此外，智能集成電路硬件可以在電網、工廠、住所、汽車和其他系統(tǒng)中實現(xiàn)通信功能，并且更加高效地監(jiān)測和控制系統(tǒng)的電力使用量。此外，作為電源和電池充電器的骨干，電源集成電路是實現(xiàn)便攜式電子設備快速普遍增長的一個重要因素，在提高效率的同時，也帶來了便利性。

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“所有這一切使能效穩(wěn)定上升，從而降低成本，并且減少溫室氣體排放。”

問：為什么要將注意力放在高壓上?

答：從電源到終端應用，每一個電壓轉換步驟都涉及功耗。因此，電力轉換是一個黃金機會領域。另外，在其他條件相同的情況下，與較高電壓相較而言，在輸電過程中，較低電壓會帶來更高比例的功率損耗。由于這些原因，最有效的方法就是，在使用最大限度降低功耗的轉換方法對高壓進行降壓操作前，盡可能地使高壓靠近，或者直接進入終端設備。設備和用戶附近的高壓也需要一些額外的方法對機器和人體進行保護。

問：為了在高壓條件下創(chuàng)造更高的效率，我們應該注意什么類型的電源?

答：開關模式電源(SMPS)在電力轉換領域逐漸發(fā)展壯大，其原因在于它們的固有效率要高于傳統(tǒng)線性電源設計的效率。然而，改進SMPS設計是一項不會停止的藝術。這些電源在高頻時產生電流，必須防止這些高頻率傳播到系統(tǒng)的深處，以及逃離回到電源中。此外，電源內運行的靈敏器件容易受到內部阻抗和周圍組件干擾的影響。由于這些原因，SMPS解決方案盡可能將更多的系統(tǒng)集成在內，這樣可以幫助降低電源設計的復雜性，并有助于降低制造成本。如果這個解決方案能夠將小外形尺寸的隔離和功率電路包含在內，那么效果會更好，因為它能夠有效地為系統(tǒng)屏蔽外部干擾，并防止高頻從系統(tǒng)內遷移到線路上。

問：什么樣的新材料在這個領域提供創(chuàng)新機會?

答：制造商正將目光轉向氮化鎵(GaN，構建在硅基板上)和碳化硅(SiC)等新材料，以便在高電壓條件下實現(xiàn)更快的開關速度和更高效率。除了開發(fā)眾多的硅基解決方案外，TI還開發(fā)了數(shù)款針對GaN開關的柵極驅動器，并且開始引入高級多芯片模塊(MCM)，這些模塊既包含柵極驅動器，又包含GaN電源開關。

“從電源到終端應用，每一個電壓轉換步驟都涉及功耗。因此，電力轉換是一個黃金機會領域。”

問：MCM如何能夠幫助重新調整高壓電源，以適應終端設備內部的電路板?

答：無論何時，如果因為使用了不同工藝進行功能構建，從而使全系統(tǒng)集成過于昂貴或無法實現(xiàn)的話，那么將兩個或多個器件集成到MCM中就是一個可行的解決方案。除了節(jié)省空間之外，單芯片和MCM解決方案可提高功率密度，并減少對繞組和散熱片等無源材料的需要。該解決方案還簡化了設計，因為它們消除或最大限度地減少那些使電源設計很難進行下去的復雜內部阻抗。

問：如何在SMPS設置中對柵極驅動器和電源開關進行精確控制?

答：全新SMPS設計中的高頻率至少需要UCD3138控制器等高性能狀態(tài)機提供的數(shù)字控制。更靈活的設備是C2000™32位微控制器(MCU)。這兩款設備通過多種高分辨率脈寬調制(PWM)輸出提供可編程定時控制。單個C2000MCU或UCD3138控制器可以處理多級功率轉換的閉環(huán)控制和諸如保護、測量和通信等其它系統(tǒng)功能。除了提供精密的計時技術外，這些控制器具有高分辨率模數(shù)(A/D)轉換器，可快速保護隔離信號測量和高速模擬比較器。創(chuàng)新型軟件工具可以幫助電源設計人員了解如何開發(fā)數(shù)控SMPS系統(tǒng)的閉環(huán)控制功能，從而簡化從傳統(tǒng)的模擬控制方式向數(shù)字控制的轉換工作。