低功率電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)的技巧

低功率電子是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域,對(duì)于應(yīng)對(duì)當(dāng)今的能源挑戰(zhàn)至關(guān)重要。所有設(shè)備,從移動(dòng)電話到?電動(dòng)汽車 ,參與這項(xiàng)工作。效率是口號(hào),指導(dǎo)低功率設(shè)計(jì)的關(guān)鍵原則,新興的技術(shù)和戰(zhàn)略在所有電氣和電子應(yīng)用中最大限度地提高能源效率。

導(dǎo)言

使用一個(gè)耗能小的設(shè)備比使用一個(gè)耗能大的設(shè)備更有益。原因很多,從散熱到用電成本、空氣污染和電池自主權(quán)。當(dāng)然,以低能耗為重點(diǎn)的裝置的設(shè)計(jì)意味著更深入的研究,對(duì)電子解決方案的更復(fù)雜的概念,以及高質(zhì)量部件的使用;所有這些特性都很可能提高設(shè)備的最終價(jià)格。

然而,低耗電系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是不可否認(rèn)的。降低能源成本是極其重要的,特別是對(duì)于數(shù)據(jù)中心和工廠等大型系統(tǒng)。即使消耗幾千瓦,也能大規(guī)模地節(jié)省大量費(fèi)用。耗能較少的電子元件自然在較低的溫度下工作,延長(zhǎng)部件壽命和可靠性,同時(shí)減少更換和維修的需要。

如今,大多數(shù)設(shè)備都是便攜式的,或者至少是使用電池進(jìn)行操作。在智能手機(jī)、筆記本電腦、燈具、收音機(jī)和可穿戴設(shè)備等這類設(shè)備中,能源效率至關(guān)重要,可轉(zhuǎn)化為更長(zhǎng)的電池壽命,增加用戶的便利性,減少頻繁充電的需要。

低功率設(shè)計(jì)在幾乎所有現(xiàn)有設(shè)備中得到應(yīng)用,例如移動(dòng)設(shè)備(智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦和需要較長(zhǎng)電池壽命的可穿戴設(shè)備)、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備(尤其是傳感器和執(zhí)行器)、消耗大量能源的數(shù)據(jù)中心,以及效率更高的電動(dòng)車輛具有更大的自主權(quán)。所有這些優(yōu)勢(shì)也轉(zhuǎn)化為較低的環(huán)境影響。能源消耗量的減少與溫室氣體排放量的減少相對(duì)應(yīng)。

低消耗設(shè)計(jì)

能夠消耗盡可能少的能量的裝置的目標(biāo)集中在許多不同的戰(zhàn)略上,包括化學(xué)、物理和電氣技術(shù)。主要目標(biāo)是共同的,目的是盡量減少所有電子元件,甚至最"無(wú)害"的部件耗散的功率。設(shè)計(jì)師必須仔細(xì)選擇這些元件:電阻器、電感器、變壓器、MOSIFT和二極管要求非常特殊的特性。

此外,僅選擇最好的組件來(lái)確保較低的耗電度是不夠的;還必須確保最佳的運(yùn)行條件,這取決于所采用的電路的配置、可能使用的開(kāi)關(guān)頻率以及所涉及的電壓。因此,設(shè)計(jì)師必須選擇低功率元件,優(yōu)化電路,并使用優(yōu)秀的電源管理技術(shù)。

降低電源電壓可導(dǎo)致能源消耗大幅度降低,不過(guò),特別是在汽車應(yīng)用中,提高電壓和降低電流的趨勢(shì)相反,需要更薄和更輕的連接。無(wú)論選擇何種操作電壓,良好的規(guī)劃都允許生產(chǎn)低耗電器件,特別是通過(guò)智能設(shè)計(jì)電源,將電路中未使用的部分關(guān)閉或開(kāi)關(guān)為節(jié)能模式,以減少能耗。

如果不使用與電子部件有關(guān)的低功率技術(shù),所有這些努力都將是徒勞的。如今,由于高擊穿電壓、高電流、低導(dǎo)電電阻(RDS(ON))、高開(kāi)關(guān)頻率、高工作溫度、降低開(kāi)關(guān)損耗、減小尺寸和重量以及更高的功率密度,加上較低的寄生電容,寬帶半導(dǎo)體,如西克和甘等的使用比以往任何時(shí)候都更能有效地促進(jìn)節(jié)能。

一些技巧

如前幾段所述,沒(méi)有單一的魔術(shù)方法來(lái)獲得一個(gè)高效和低功率的裝置;相反,必須遵循各種戰(zhàn)略。其中之一涉及到開(kāi)關(guān)頻率,特別是對(duì)于電源設(shè)備,如轉(zhuǎn)換器和逆變器。圖1中的通用圖顯示了基于MOSFET的簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)電路。它的主要功能是利用V1生成的控制信號(hào)控制電流通過(guò)負(fù)載的流動(dòng),用R1表示。

圖1:基于MOSFET的簡(jiǎn)單開(kāi)關(guān)電路

最佳開(kāi)關(guān)頻率的選擇是實(shí)現(xiàn)完全符合EMI減少規(guī)定的高效解決方案的關(guān)鍵之一。一般而言,電路功能所需的開(kāi)關(guān)數(shù)目應(yīng)減少到最低限度。一個(gè)非常簡(jiǎn)單的模擬證明了隨著工作頻率的增加,消耗的增加。

在開(kāi)關(guān)條件下,MOSFET隨著頻率的增加而消耗更多的能量。這主要是由于兩個(gè)因素:

· 開(kāi)關(guān)損耗:每次MOSFET從截止?fàn)顟B(tài)切換到傳導(dǎo)狀態(tài),反之亦然,能量損失發(fā)生。這些損失是因?yàn)?在過(guò)渡期間,MOSFET處于一個(gè)同時(shí)存在電壓和電流的活動(dòng)區(qū)。開(kāi)關(guān)頻率越高,每秒的轉(zhuǎn)換次數(shù)越多,因此開(kāi)關(guān)損失也會(huì)越大。

· 門電容充電和放電損耗:MOSFET有一個(gè)門電容,當(dāng)晶體管開(kāi)關(guān)時(shí),它就會(huì)充電和放電。這個(gè)過(guò)程需要超過(guò)零的能量和時(shí)間

圖2顯示了隨著開(kāi)關(guān)頻率的變化,由一個(gè)通用的碳化物MOSFET耗散功率的特征圖。x軸在對(duì)數(shù)尺度上顯示開(kāi)關(guān)頻率,而y軸顯示MOSFET在該頻率上的平均耗散。設(shè)計(jì)師面臨的挑戰(zhàn)是使用適當(dāng)?shù)念l率平衡不同的參數(shù),即EMI,產(chǎn)生聲學(xué)音符(即使是在較高的諧波中),以及其他許多。選擇正確的頻率并不是一個(gè)簡(jiǎn)單的操作;它不應(yīng)該太低,以至于引起聲學(xué)和聲音干擾,也不應(yīng)該太高,因?yàn)殡姶鸥蓴_排放。此外,必須根據(jù)MOSFET驅(qū)動(dòng)器的技術(shù)規(guī)格仔細(xì)選擇頻率。

圖2:隨著開(kāi)關(guān)頻率的變化,用通用的碳化物MOSFET來(lái)描述耗散的功率

另一個(gè)低功率設(shè)計(jì)準(zhǔn)則是基于重要的RDS(ON)參數(shù),該參數(shù)確定了MOSFET處于正常狀態(tài)時(shí)的導(dǎo)電電阻。該參數(shù)應(yīng)盡可能低,以盡量減少導(dǎo)電損耗和相關(guān)的耗能.有幾個(gè)網(wǎng)站提供了選擇最優(yōu)MOSFET的計(jì)算工具。這個(gè)參數(shù)是設(shè)計(jì)師在他們的項(xiàng)目中應(yīng)該考慮的第一個(gè)參數(shù),但是,他們也應(yīng)該關(guān)注設(shè)備所能達(dá)到的最大開(kāi)關(guān)速度和寄生門電容。

圖3顯示了三種不同RDS電阻值在不同開(kāi)關(guān)頻率下的平均耗散。此參數(shù)的低值總是更好的。在這個(gè)例子中,使用了三種通用的、分別為27歐姆、80歐姆和150歐姆的SSFET。高電阻值對(duì)應(yīng)于較高的連接和"容器"溫度,顯然,電路效率較低。

圖3:不同RDS(上)電阻值在不同開(kāi)關(guān)頻率下的三種碳化硅器件的功率耗散

設(shè)計(jì)者還應(yīng)該仔細(xì)考慮激活MOSFET的適當(dāng)閘門電壓。它應(yīng)該足夠高,使MOSFET進(jìn)入飽和時(shí),打開(kāi),并足夠低,完全關(guān)閉它。使用優(yōu)秀的駕駛員駕駛閘門也必須仔細(xì)評(píng)估。一個(gè)好的駕駛員應(yīng)該確保高的閘流快速地打開(kāi)和關(guān)閉MOSIFT,從而減少開(kāi)關(guān)損失。所有的動(dòng)力元件必須充分地消散所產(chǎn)生的熱量.設(shè)計(jì)者必須提供適當(dāng)?shù)睦鋮s系統(tǒng),因?yàn)椴槐匾倪^(guò)熱會(huì)降低性能和縮短組件的使用壽命。此外,仔細(xì)研究印刷電路板軌道也是必要的,因?yàn)樗鼈儤?gòu)成了一個(gè)極有可能產(chǎn)生不必要寄生反應(yīng)的感應(yīng)和電容系統(tǒng)。因此,設(shè)計(jì)師不僅要專注于純電子學(xué)科,而且今天比以往任何時(shí)候都更要致力于創(chuàng)造復(fù)雜的熱電路,包括研究使用各種形狀和尺寸的鋁或銅熱吸收器,其特點(diǎn)是精確的熱傳導(dǎo)率必須適應(yīng)不同的環(huán)境條件,改變對(duì)流系數(shù)。只有通過(guò)所有這些分析,才有可能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)有效的解決方案。目前有許多有效的電子模擬器可以在不同的工作條件下精確模擬似是而非的場(chǎng)景。包括使用鋁或銅的不同形狀和尺寸的熱吸收器的研究,其特點(diǎn)是精確的熱導(dǎo)率必須適應(yīng)不同的環(huán)境條件和變化的對(duì)流系數(shù)。只有通過(guò)所有這些分析,才有可能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)有效的解決方案。目前有許多有效的電子模擬器可以在不同的工作條件下精確模擬似是而非的場(chǎng)景。包括使用鋁或銅的不同形狀和尺寸的熱吸收器的研究,其特點(diǎn)是精確的熱導(dǎo)率必須適應(yīng)不同的環(huán)境條件和變化的對(duì)流系數(shù)。只有通過(guò)所有這些分析,才有可能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)有效的解決方案。目前有許多有效的電子模擬器可以在不同的工作條件下精確模擬似是而非的場(chǎng)景。有許多有效的電子模擬器可以在不同的工作條件下精確模擬似是而非的場(chǎng)景。有許多有效的電子模擬器可以在不同的工作條件下精確模擬似是而非的場(chǎng)景。

結(jié)論

低功率設(shè)計(jì)被證明是一個(gè)極其動(dòng)態(tài)和不斷發(fā)展的電子領(lǐng)域,對(duì)于應(yīng)對(duì)我們時(shí)代的能源和環(huán)境挑戰(zhàn)至關(guān)重要。技術(shù)創(chuàng)新有望進(jìn)一步推動(dòng)效率限制,為日益高性能和可持續(xù)的設(shè)備鋪平道路。例如,能源收集是一個(gè)有希望的領(lǐng)域,可利用可再生能源為電子產(chǎn)品供電,進(jìn)一步減少對(duì)環(huán)境的影響。盡管存在著與系統(tǒng)日益復(fù)雜和設(shè)備小型化有關(guān)的挑戰(zhàn),但人類的創(chuàng)造力和科學(xué)研究繼續(xù)找到創(chuàng)新的解決辦法,為低功率電子產(chǎn)品和更環(huán)保的世界開(kāi)辟了充滿希望的未來(lái)。