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(huì)讓你大吃一驚,。最近,，我與我的同事Chris Schairbaum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?cè)谶@篇白皮書中回答了一些客戶常常詢問有關(guān)高壓的問題,。
問：高壓創(chuàng)新如何對(duì)不斷增加的電力需求產(chǎn)生影響,？
答：高壓創(chuàng)新旨在提高電力傳輸和轉(zhuǎn)換的效率，從而降低電源和終端設(shè)備之間的功耗,。這些創(chuàng)新帶來(lái)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(jī)和致冷設(shè)備等耗電量較大設(shè)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(dǎo)體和集成電路在哪些方面適合高壓方程式,？
答：先進(jìn)的半導(dǎo)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(shù)之一，并且這項(xiàng)技術(shù)還在不斷發(fā)展中,。用集成電路（IC）實(shí)現(xiàn)的智能控制和碳化硅,、氮化鎵等全新功率半導(dǎo)體材料的使用可以用最小的損耗實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換和管理,。此外，智能集成電路硬件可以在電網(wǎng),、工廠,、住所、汽車和其他系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)通信功能,，并且更加高效地監(jiān)測(cè)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(shí)現(xiàn)便攜式電子設(shè)備快速普遍增長(zhǎng)的一個(gè)重要因素,，在提高效率的同時(shí)，也帶來(lái)了便利性,。
“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,?！?/p>
問：為什么要將注意力放在高壓上？
答：從電源到終端應(yīng)用,，每一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換步驟都涉及功耗,。因此，電力轉(zhuǎn)換是一個(gè)黃金機(jī)會(huì)領(lǐng)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(huì)帶來(lái)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(zhuǎn)換方法對(duì)高壓進(jìn)行降壓操作前，盡可能地使高壓靠近,，或者直接進(jìn)入終端設(shè)備,。設(shè)備和用戶附近的高壓也需要一些額外的方法對(duì)機(jī)器和人體進(jìn)行保護(hù)。
問：為了在高壓條件下創(chuàng)造更高的效率,，我們應(yīng)該注意什么類型的電源,？
答：開關(guān)模式電源（SMPS）在電力轉(zhuǎn)換領(lǐng)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(shè)計(jì)的效率,。然而,，改進(jìn)SMPS設(shè)計(jì)是一項(xiàng)不會(huì)停止的藝術(shù)。這些電源在高頻時(shí)產(chǎn)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(nèi)運(yùn)行的靈敏器件容易受到內(nèi)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(nèi)，這樣可以幫助降低電源設(shè)計(jì)的復(fù)雜性,，并有助于降低制造成本,。如果這個(gè)解決方案能夠?qū)⑿⊥庑纬叽绲母綦x和功率電路包含在內(nèi)，那么效果會(huì)更好,，因?yàn)樗軌蛴行У貫橄到y(tǒng)屏蔽外部干擾,，并防止高頻從系統(tǒng)內(nèi)遷移到線路上。
問：什么樣的新材料在這個(gè)領(lǐng)域提供創(chuàng)新機(jī)會(huì),？
答：制造商正將目光轉(zhuǎn)向氮化鎵（GaN,，構(gòu)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(shí)現(xiàn)更快的開關(guān)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(duì)GaN開關(guān)的柵極驅(qū)動(dòng)器，并且開始引入高級(jí)多芯片模塊(MCM),，這些模塊既包含柵極驅(qū)動(dòng)器,，又包含GaN電源開關(guān)。
“從電源到終端應(yīng)用,，每一個(gè)電壓轉(zhuǎn)換步驟都涉及功耗,。因此，電力轉(zhuǎn)換是一個(gè)黃金機(jī)會(huì)領(lǐng)域,?！?/p>
問：MCM如何能夠幫助重新調(diào)整高壓電源，以適應(yīng)終端設(shè)備內(nèi)部的電路板,？
答：無(wú)論何時(shí),，如果因?yàn)槭褂昧瞬煌に囘M(jìn)行功能構(gòu)建，從而使全系統(tǒng)集成過于昂貴或無(wú)法實(shí)現(xiàn)的話,，那么將兩個(gè)或多個(gè)器件集成到MCM中就是一個(gè)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(duì)繞組和散熱片等無(wú)源材料的需要。該解決方案還簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì),，因?yàn)樗鼈兿蜃畲笙薅鹊販p少那些使電源設(shè)計(jì)很難進(jìn)行下去的復(fù)雜內(nèi)部阻抗,。
問：如何在SMPS設(shè)置中對(duì)柵極驅(qū)動(dòng)器和電源開關(guān)進(jìn)行精確控制？
答：全新SMPS設(shè)計(jì)中的高頻率至少需要UCD3138控制器等高性能狀態(tài)機(jī)提供的數(shù)字控制,。更靈活的設(shè)備是C2000?32位微控制器（MCU）,。這兩款設(shè)備通過多種高分辨率脈寬調(diào)制（PWM）輸出提供可編程定時(shí)控制,。單個(gè)C2000 MCU或UCD3138控制器可以處理多級(jí)功率轉(zhuǎn)換的閉環(huán)控制和諸如保護(hù)、測(cè)量和通信等其它系統(tǒng)功能,。除了提供精密的計(jì)時(shí)技術(shù)外,，這些控制器具有高分辨率模數(shù)（A/D）轉(zhuǎn)換器，可快速保護(hù)隔離信號(hào)測(cè)量和高速模擬比較器,。創(chuàng)新型軟件工具可以幫助電源設(shè)計(jì)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(jiǎn)化從傳統(tǒng)的模擬控制方式向數(shù)字控制的轉(zhuǎn)換工作。