電源部分

功率效率

常時連網裝置

電力電子涵蓋從奈瓦到千瓦的許多領域。但所有功率位準設計都享有一個共同目標,即提升效率。在本文中,Tektronix 工程師會分享他們對功率設計新興趨勢的看法。

在談到電池供電的效率時,最先想到的會是行動裝置。我們期待手機通話時間至少 8 小時,且功能強大,但又外型簡潔。2017 年 11 月的「愛立信行動趨勢報告」(Ericsson Mobility Report) 指出目前的行動上網用戶數已超過 50 億。

雖然智慧型手機無疑將繼續驅動電源管理和電池技術發展,但一系列新的連接裝置正不斷測試電源管理的極限。預計到 2020 年,透過無線技術連網的 IoT 裝置將達到 240 億台。

結合 2281S-20-6 與 DMM7510 能為功率消耗/電池壽命評估提供完整的解決方案

 

這些裝置中有許多無法連接入電網,但至少在一定程度上,所有這些裝置都需要持續保持開啟狀態。IoT 在連續常時連網的這一方面,需要新的功率管理和量測解決方案。Tektronix 工程師 Jay Shah 說:「如果您正在設計一個裝設在鑽油平台上的 IoT 裝置,那裡沒有電力線,因此可能會使用電池供電。」「功率消耗對所有 IoT 裝置都是重要的考慮因素。

Battery-life深層休眠模式消耗從奈安培低至皮安培的電流
在深層休眠模式中,IoT 裝置所消耗的電流大多在奈安培到皮安培範圍內,但在進行量測和傳輸時,可能會消耗以安培計的電流。
Shah 說明:「顯然地,判斷這些裝置的功率消耗絕對至關重要但 IoT 感應器的龐大作業範圍,使得特性化功率分布非常具有挑戰性。」

國際標準競賽

為回應氣候變遷問題,多國政府正在擬定更嚴格的新效率標準。不幸的是,這些標準是在狂熱氣氛下所發布,且涉及的對象數量眾多,足以讓經驗最豐富的設計師感到眼花撩亂。而外部電源供應器 (EPS) (又暱稱為「wall wart」或「brick」) 的效率標準,即是其中一個範例。

Battery-life降低待機的功率消耗程度
2016 年,美國能源部 (DOE) 頒布了新的效率標準。現在歐洲將更進一步制定嚴格的永續設計規則。因此,設計師正著手提高效率,並需要進行更多測試,特別是針對電源供應器。
標準競賽並不僅限於外部電源供應器。家用電器、工業設備和暖通空調設備也不斷發布新的或修訂的標準。這些標準來自許多不同的機構,每個機構都有自己的管轄範圍。除了美國和歐盟機構外,中國質量認證中心 (CQC) 也正積極制定標準。而加州能源委員會在能源標準方面更採取主動的立場,甚至比美國能源部更加積極。這些標準都是即時更新的文件,因此設計師必須隨時掌握最新情況。

汽車電氣化

汽車市場正在上演塑造電力電子需求的另一個趨勢。許多汽車產業人士預測,電動汽車最終將會取代內燃機汽車。直流-交流電轉換器和電池管理系統對汽車牽引系統具有關鍵作用,但其中也有一些不太明顯的趨勢。

現代汽車上的電子設備越來普及,迫使設計師必須密切管理功率消耗。而汽車模組中也存在著 IoT 的「常時連網」難題。即使汽車熄火後,許多系統仍在休眠模式下繼續運作。(事實上,許多人會認為汽車是最複雜的「物聯網」裝置!)即使在內燃機汽車中,設計師也必須將安全度和舒適度提升至新一等級,且不耗盡電池電量。

在全電動汽車發展的道路上,我們可能會遇到各種形式的混合動力汽車。這些車輛將納入複雜的電力轉換和管理系統。相較於即將走入歷史的 12 伏特系統,未來的混合動力汽車和電動汽車將納入多個電源匯流排。部分可能需要雙向的直流-到直流轉換,例如來自起動機/發電機、再生制動器、蓄電池甚至太陽能電池的電力源。

SiC 和 GaN 的大轉換

隨著寬能隙半導體技術使用的範圍更加廣泛,電力電子將在未來五年內從基本層面上持續進化。新的半導體材料如碳化矽 (SiC) 和氮化鎵 (GaN) 與矽相比,可提供較佳熱導率、較高切換速度和規模較小的裝置。

在電源供應器基本組成區塊中的這項轉變,正在從基礎開始驅動新的設計。GaN 可望改變電子電力的世界 (< 100W 左右)。而 GaN 技術也正在重整射頻功率放大器的世界,這主要歸功於眾多相同的屬性,使其特別適用於功率轉換。SiC 正在尋找更高功率設計的應用,例如馬達、驅動器和逆變器。Tektronix 工程師 Tom Neville 說:「今年我們看到了碳化矽的巨大轉折點,許多商用產品相繼問世。我認為 GaN 則顯得有些落後。成本絕對是一大因素,而可靠度亦是。」
半導體產業正致力於發展和推廣這些新的寬能隙功率裝置。半導體研發工程師正致力進行驗證,並特性化新元件。驅動裝置製造商正開發新的閘極驅動,以承受更快速切換、EMI 管理和更複雜拓撲的需求。這些公司的製造工程師正在應對晶片測試的挑戰 – 必須在比以往更寬的電壓和電流範圍內全面測試更小的裝置。

在價值鏈的另一端,電源供應器設計師正致力於充分利用 GaN 和 SiC 裝置的優勢。(功率轉換設計) 必須重新考慮矽 MOSFET 所適用的經驗法則。設計人員正致力於減少半橋式開關的停滯時間,以將切換損失降到最低。能夠精確地檢視並評估動態電壓和電流至關重要,但由於共模電壓和快速上升時間的原因,這是一項困難的工作。
Isovu新的探棒技術展現了過去在設計中隱藏的細節。
Tektronix 工程師 Seshank Malap 說:「測試已比以往更為重要。」「隨著功率密度和效率變得如此重要,人們正挑戰極限將包封盡可能使用最小的裝置來進行功率轉換應用。這就是測試和量測變得極其重要的地方。您的閘極是否在需要時確實開啟?您是否有準確的工作週期,以從設計中獲得最佳效率?功率裝置是否能夠盡可能地散熱,而不需要冷卻?
Shah 並補充:「不僅是裝置,而是整個時序電路。」「因為您會需要同時協調並處理很多不同的訊號,以確保它們都是有意義的,且不會在非必要時將裝置開啟。」

根據 Malap 的說法,舊的測試工具和技術完全不足以應付功率設計的變化趨勢。他解釋說:「在傳統的功率轉換器設計和測試中,人們會在四處查看訊號,並猜測其他人會怎麼做。但未來將不再需要。這不僅是一個壞主意,還是一個非常糟糕的主意,因為你可能會將裝置燒毀。」

迎戰第六波科技革命浪潮

世界變得更加緊密聯繫隨著人們的技術不斷變更以適應這一現象,我們的工程工具和技術也必須隨之改變。若沒有量測關鍵值的能力,並確保重要裝置的運作,我們的進步僅能到此為止。

Malap 說:「所有這些挑戰讓您回到如何最佳化功率消耗和一般功率處理的問題上,我認為目前這一點非常有吸引力。」

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