電力電子面臨的最嚴(yán)峻挑戰(zhàn)之一是效率，必須最大限度地提高效率，以滿足國際標(biāo)準(zhǔn)的要求并減少電力浪費(fèi)，創(chuàng)造更可持續(xù)的產(chǎn)品。 任何交流供電的應(yīng)用都需要電源，從最簡單的手機(jī)充電器到工業(yè)應(yīng)用中最復(fù)雜、功能最強(qiáng)大的SMPS。在理想的電源中，從交流電源汲取的所有功率都可供負(fù)載使用。實(shí)際上，這只有在電流與電壓同相時才有可能。如果電流和電壓彼此異相，則電網(wǎng)吸收的部分能量會丟失。電源的功率因數(shù)校正 (PFC)級正是執(zhí)行此任務(wù)，試圖盡可能接近對應(yīng)于單位功率因數(shù)的理想情況。
人類最原始的沖動是前進(jìn)，讓事情變得更好、更快、更大。我們在半導(dǎo)體行業(yè)看到了同樣的人類趨勢，嗯，除了更大，在電子世界中實(shí)際上更小。一旦晶體管被發(fā)明出來，早期的先驅(qū)者就會問：“我們可以在同一個芯片上放置多個晶體管嗎?” 導(dǎo)致杰克·基爾比發(fā)明了集成電路。如今，電源管理單元 (PMU) 將數(shù)量驚人的電路集成到單個 IC 中，更好、更小、更快地實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。
隨著 5G 網(wǎng)絡(luò)、云計算、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和虛擬化的普及，IT 基礎(chǔ)設(shè)施正在推動對高性能計算服務(wù)器的需求。 每一代新的服務(wù)器都需要更高的計算能力和效率，同時也增加了對功率的要求。確保服務(wù)器滿足市場需求的關(guān)鍵方面之一是了解微處理器的電源對整個服務(wù)器的動態(tài)響應(yīng)和效率的影響。這使工程師能夠配置電源以獲得最佳性能。
消費(fèi)電子產(chǎn)品的電池壽命取決于其集成電路的動態(tài)功率行為。如果可以調(diào)整動態(tài)行為以適應(yīng)手頭的任務(wù)，則可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)大的功率節(jié)省。
最近，我正在研究可用于為 FPGA 供電的不同參考設(shè)計和資源。我發(fā)現(xiàn)一種設(shè)計是為了易于使用而創(chuàng)建的，使用集成電感器模塊，一種是使用分立元件而具有成本效益的設(shè)計，另一種是使用 PMBus 設(shè)備制成的設(shè)計，為工程師提供了最大的靈活性來控制和監(jiān)控每個軌道。盡管所有這些設(shè)計各不相同，但一個共同點(diǎn)是電源管理解決方案占用了相當(dāng)大的電路板空間，其中包括穩(wěn)壓器、LDO、復(fù)位 IC、定序器、功率級等。
在過去十年中，電池供電的應(yīng)用已變得司空見慣，此類設(shè)備需要一定程度的保護(hù)以確保安全使用。電池管理系統(tǒng) (BMS) 監(jiān)控電池和可能的故障情況，防止電池出現(xiàn)性能下降、容量衰減甚至可能損害用戶或周圍環(huán)境的情況。
電源系統(tǒng)設(shè)計包括設(shè)計參數(shù)之間的許多權(quán)衡，例如尺寸、成本、效率和負(fù)載瞬態(tài)性能。為了設(shè)計功率級，必須建立各種特性，例如瞬態(tài)容限、紋波電壓和負(fù)載特性。系統(tǒng)設(shè)計人員正專注于通過更好地控制電池特性來使用新的電路拓?fù)鋪硖岣唠娫崔D(zhuǎn)換效率，以開發(fā)具有更長運(yùn)行時間和更小的占位面積的系統(tǒng)。低效率對應(yīng)于增加的功耗，必須充分處理。較低的開關(guān)頻率會降低開關(guān)損耗，但較高的開關(guān)頻率可提供更高的性能和更快的瞬態(tài)響應(yīng)。西蘭娜半導(dǎo)體推出了智能功率共享降壓轉(zhuǎn)換器電源IC。具有集成 USB-PD/FC 端口控制器的新型 SZPL3002A 降壓轉(zhuǎn)換器 IC 可顯著減少執(zhí)行 65-W 快速充電器和具有多達(dá)四個端口的適配器應(yīng)用所需的組件數(shù)量。該電源 IC 采用完全集成的 USB-PD 控制器、MCU 和 VCONN 電纜通信協(xié)議，在這款高效 DC/DC 降壓轉(zhuǎn)換器中實(shí)現(xiàn)智能電源共享。
設(shè)計人員和最終用戶現(xiàn)在將 USB 視為一種通用的、有點(diǎn)通用的充電源，在最佳情況下(USB 3.1/Type C)可提供高達(dá)約 100 瓦的功率。我們看到許多關(guān)于管理最新 USB 標(biāo)準(zhǔn)的電源傳輸和處理規(guī)范的應(yīng)用筆記、文章和 IC。
隨著信息娛樂和高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的進(jìn)步，半自動和自動駕駛的發(fā)展和擴(kuò)展正在迅速接近。借助高清視頻、控制衛(wèi)星和無線廣播、GPS 和移動設(shè)備連接以及備用攝像頭，曾經(jīng)只為高端汽車保留的系統(tǒng)正變得越來越普遍。
不久前，我被要求檢查使用 TI UCD3138控制器生成在轉(zhuǎn)換模式下運(yùn)行所需的閉環(huán)控制波形的可行性。這些數(shù)字控制器非常靈活，并配備了很多花里胡哨的功能。我很好奇我能想出什么。
設(shè)計電源與其說是科學(xué)，不如說是一門藝術(shù)。瞬態(tài)和現(xiàn)實(shí)世界的交互過于華麗，無法用任何單一的電源系統(tǒng)模型來捕捉。通常，這些模型構(gòu)建了某種傳遞函數(shù)，該傳遞函數(shù)與工廠或在數(shù)字電源設(shè)計中的功率級盡可能接近。為了測量實(shí)際系統(tǒng)的行為與模型的接近程度以及為控制該模型而創(chuàng)建的控制回路，電源設(shè)計人員必須測量系統(tǒng)的頻率響應(yīng)。然后將該數(shù)據(jù)繪制在波特圖上并進(jìn)行分析，以確定電源控制器設(shè)計的增益和相位裕度。在很多情況下，由于模型與實(shí)際工廠的不一致，在電源設(shè)計過程中會多次重復(fù)此過程。
TPS40422 和 TPS40425 是兩種流行的數(shù)字 PMBus 控制器，用于從 10A 到 100A 的許多負(fù)載點(diǎn) (PoL) 應(yīng)用。兩個數(shù)字控制器都設(shè)計為在沒有 PMBus 的情況下啟動;但是，需要對其進(jìn)行編程以充分利用遙測、排序和裕度功能等優(yōu)勢。
企業(yè)服務(wù)器和交換機(jī)、存儲連接網(wǎng)絡(luò)和基站越來越多地使用帶有 PMBus 的電源來輕松配置、控制和監(jiān)控關(guān)鍵電壓軌，例如大電流 ASIC、DSP、FPGA 和 DDR 內(nèi)存內(nèi)核，而無需軟件編程。
在一個有時似乎專注于使用名義上的 12V 和 24V 電池組等所謂的嚴(yán)格限制電源運(yùn)行的設(shè)計世界中，很高興知道仍然需要能夠處理更寬輸入擺幅的穩(wěn)壓器。
我們終于進(jìn)入了計算機(jī)與我們和我們的環(huán)境真正互動的未來，讓我們的日常生活更輕松、更安全、更高效。我的車還沒有自動駕駛，但它知道在前面的車自動駕駛時減速。我的手表知道我摔倒了，需要幫助。相機(jī)可以辨別一個人注視的焦點(diǎn)。智慧城市。工業(yè) 4.0。自動駕駛。5G網(wǎng)絡(luò)。智能電網(wǎng)。這些領(lǐng)域的應(yīng)用增長正在推動半導(dǎo)體設(shè)計的增長遠(yuǎn)高于行業(yè)平均水平。
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