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作者：德州儀器（TI）Ramanan Natarajan 高壓創(chuàng )新為何如此重要？這是我們常聽(tīng)到的問(wèn)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(guò)高壓創(chuàng )新重新定義電源管理的問(wèn)題共同撰寫(xiě)了一篇白皮書(shū)。我們在這篇白皮書(shū)中回答了一些客戶(hù)常常詢(xún)問(wèn)有關(guān)高壓的問(wèn)題。 問(wèn)：高壓創(chuàng )新如何對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(lái)發(fā)電方式的改變，例如，引入了可再生能源，并且提升了電機和致冷設備等耗電量較大設備的節電性能。所有這一切使能效穩步上升，從而降低成本，并且減少溫室氣體排放。 問(wèn)：半導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，并且這項技術(shù)還在不斷發(fā)展中。用集成電路（IC）實(shí)現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(shí)現電力轉換和管理。此外，智能集成電路硬件可以在電網(wǎng)、工廠(chǎng)、住所、汽車(chē)和其他系統中實(shí)現通信功能，并且更加高效地監測和控制系統的電力使用量。此外，作為電源和電池充電器的骨干，電源集成電路是實(shí)現便攜式電子設備快速普遍增長(cháng)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定上升，從而降低成本，并且減少溫室氣體排放�！� 問(wèn)：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(gè)電壓轉換步驟都涉及功耗。因此，電力轉換是一個(gè)黃金機會(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(guò)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換方法對高壓進(jìn)行降壓操作前，盡可能地使高壓靠近，或者直接進(jìn)入終端設備。設備和用戶(hù)附近的高壓也需要一些額外的方法對機器和人體進(jìn)行保護。 問(wèn)：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(lèi)型的電源？ 答：開(kāi)關(guān)模式電源（SMPS）在電力轉換領(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線(xiàn)性電源設計的效率。然而，改進(jìn)SMPS設計是一項不會(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?chē)M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(gè)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(huì )更好，因為它能夠有效地為系統屏蔽外部干擾，并防止高頻從系統內遷移到線(xiàn)路上。 問(wèn)：什么樣的新材料在這個(gè)領(lǐng)域提供創(chuàng )新機會(huì )？ 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(shí)現更快的開(kāi)關(guān)速度和更高效率。除了開(kāi)發(fā)眾多的硅基解決方案外，TI還開(kāi)發(fā)了數款針對GaN開(kāi)關(guān)的柵極驅動(dòng)器，并且開(kāi)始引入高級多芯片模塊(MCM)，這些模塊既包含柵極驅動(dòng)器，又包含GaN電源開(kāi)關(guān)。 “從電源到終端應用，每一個(gè)電壓轉換步驟都涉及功耗。因此，電力轉換是一個(gè)黃金機會(huì )領(lǐng)域�！� 問(wèn)：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(wú)論何時(shí)，如果因為使用了不同工藝進(jìn)行功能構建，從而使全系統集成過(guò)于昂貴或無(wú)法實(shí)現的話(huà)，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(wú)源材料的需要。該解決方案還簡(jiǎn)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(jìn)行下去的復雜內部阻抗。 問(wèn)：如何在SMPS設置中對柵極驅動(dòng)器和電源開(kāi)關(guān)進(jìn)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(guò)多種高分辨率脈寬調制（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功能。除了提供精密的計時(shí)技術(shù)外，這些控制器具有高分辨率模數（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(kāi)發(fā)數控SMPS系統的閉環(huán)控制功能，從而簡(jiǎn)化從傳統的模擬控制方式向數字控制的轉換工作。 如需閱讀有關(guān)高壓的完整的白皮書(shū)，請點(diǎn)擊此處。 |
