《电子技术应用》

德州仪器CTO:电源和数据的交融与创新

2017/5/23 13:38:00


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从通过电信巨头和无线广播公司获取集中信息,到有线电话和有线电视的问世,早在30年前,人们与数据交互的方式就发生了翻天覆地的变化。而如今,高压电源的发展正遵循着相似的发展轨迹。

产品的尺寸和外形都在逐步缩小,而其所能实现的功率转换却越来越高。在日常生活中,人们对于功效、智能化和封装也提出了更多的要求。目前,移动设备的电池储能容量已经十分可观,并且仍在努力满足人们的使用需求和预期。

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从更大规模的角度出发,我们看到数据中心也在不断成长,而其所消耗的电能总量也始终保持在70兆瓦以上。这是一个不容忽视的能量消耗,因为即使在它们闲置或准备处理网络搜索信息时也是如此。在汽车领域,电动车辆可以由一个800V的电池电源供电运行,同时支持12V和18V电压轨。要实现诸如此类的应用,就需要全新的功率器件以及不同电压域间高效的电力转换。

电力不再只由大型发电厂和长达数英里的AC供电线路进行传输。事实上,人们可以从屋顶的太阳能板上采集能量,然后再将它卖回给电网。一个安装在墙上、每天由太阳能板充电的电池可以提供充足的电能,从而无需再通过电网供电。甚至也许在未来的某一天,电动汽车也将成为一个储能中心。

就像数据不再集中,同时能够实现互联并以多种方式进行存储一样——从基于云端的服务器到随身携带的USB,发电、电能储存、电力配送和传输方面的巨大变化也都将对我们的生活和工作方式产生深远的影响。

不过,数据与电源之间的关系不仅仅是它们的演变方式相同。在如今的某些应用中,它们开始实现融合,并且能够通过下一代USB连接设备进行传输,同时通过集成芯片中的隔离隔栅,更加深入地嵌入到了高压应用中。这一系列的转变正在对半导体产业内的创新产生巨大影响。

能源效率

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我们生活在高能耗的数字世界中。每一次查看社交媒体资讯、支付账单、下载电子书或发送电子邮件,都会使用位于巨大数据中心内的海量服务器。

当这些服务器准备处理或正在处理信息时,它们需要大量的电力。对于电力的需求维持了服务器的运行,同时也让更多的电动和混动汽车出现在路面上,而这种需求还为正处于上升趋势的电子化浪潮注入了新的活力。

随着这些创新逐渐融入到日常生活中,我们对于电能持续增长的需求将永无止境。能效的提升已经迫在眉睫。

突破性材料

与数据相似,目前电源的发展也千变万化。无论是从AC到DC、DC到DC或是DC到AC的高压电能转换,都需要高效的功率转换模块。随着电力需求不断增长,这些模块也随之需求更高效及性能更佳的技术,并且能够在严酷的条件下传送高压电源。

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这正是以氮化镓、碳化硅和硅制超结为基础进行制造的先进技术的用武之地。相对于传统的硅制功率器件,这些材料的发热量更低,这也意味着它们可以高效地在多个电源之间传输高压电力,并且可以实现从一个电源到另一个电源的高效转换。

这些突破性技术需要复杂的电路架构和封装技术,而这些架构和封装技术已经完全不同于此前为半导体数十年的发展打下坚实基础的架构。此外,虽然传统CMOS技术已经普遍遵循摩尔定律,即每隔几年数据传输和处理速率就会加倍,这些全新材料大约每五到十年就会在高压功率密度方面取得突破性进展。

诸如此类的提升对于高度电气化世界而言十分关键。在电池运行系统中,对于更高功效的需求是关键所在,因为电池技术很难跟上新特性出现的步伐。此外,电源管理领域的改进和提升对于不断增加、用于实现各类互联设备应用的数据中心也至关重要。这些数据中心内的服务器消耗了大量的电力,而半导体技术将通过减少降压功率转换的数量来提升它们的效率。

在汽车应用领域,设计人员每年都在将更多的高能耗、高压电子元器件集成到车辆中。有趣的是,每增加100W功率,就会带来5美元制造成本的提升,而汽车功率正以每年100W的速度在增长,对于电动车辆来说,也许功率的增加速度会更快。先进的功率器件氮化镓和碳化硅将在这些电路中发挥越来越重要的作用,其原因就在于它们能够提升功率密度。例如,对于电动车辆来说,这意味着电池充电时间更短、电量保持时间更长、续航里程更远,并且能够运行更多的高压系统。

USB Type-C™ 技术

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下一代USB Type-C连接中的电源与数据正在发生交融,同时正在改变我们日常对这些技术的使用方式。例如,大多数笔记本电脑目前都包含数个接口,用于充电、显示、音频以及更多的传统USB连接。

正在成为全新标准的USB Type-C将所有这些数据和电源接口合并为一个高容量线路,并且不受插头正反的限制。

隔离隔栅

从空调系统到工厂自动化应用,电源与数据也跨过高压电路中的隔离隔栅汇聚在了一起。对于独立电源的需求在迅速增长,同时虽然跨过隔离隔栅传输数据的功能已经实现了数年,对于电力的传输仍然需要一个占用宝贵电路板空间,并且会产生可靠性问题的分立式变压器。

不过,德州仪器(TI)所推出的一款全新器件ISOW7841已经通过将多个硅片和一个变压器集成在单个封装内解决了这一难题。此外,相较于市面上其它的解决方案,ISOW7841在电力传输方面的效率要高出80%,并且运行时更加安静。

更多的半导体产品

随着经济的不断增长,那些用于支持汽车、数据中心、工厂、住宅以及很多其它提高人类生活质量的技术,将对高效地运行提出更高需求。

此外,由于电源管理技术对于每个电子系统都越来越关键,创新的步伐将继续加剧,而我们数字生活中的半导体数量也将保持增长。


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