電源管理技術(shù)的三大創(chuàng)新趨勢(shì)

也許是因?yàn)樽钚码娫垂芾砑夹g(shù)的相關(guān)難題，或者是電源管理行業(yè)保守的本質(zhì)，電源領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)往往具有很長(zhǎng)的生命周期。但是我們不能僅僅因?yàn)樾袠I(yè)中存在一個(gè)固有的趨勢(shì)就止步不前。當(dāng)不再有創(chuàng)新的機(jī)會(huì)時(shí)，所謂趨勢(shì)也就失去了本質(zhì)意義；然而，當(dāng)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)新的創(chuàng)新時(shí)，一些潛在的趨勢(shì)也會(huì)被喚醒。趨勢(shì)與引導(dǎo)趨勢(shì)的技術(shù)之間存在著一些差異。
電源管理領(lǐng)域不斷發(fā)展的趨勢(shì)包括：
● 功率效率。
● 功率密度。
● 能量采集。
● 數(shù)控電源。
● 實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)的電源管理工具。
● 寬VIN電源。
● 高集成度。
● 智能電源。
我們將見(jiàn)證增長(zhǎng)最快速的創(chuàng)新領(lǐng)域：
● 更高的功率密度。
● 智能電源。
● 能量采集。
功率密度
功率密度領(lǐng)域的競(jìng)爭(zhēng)就像是20世紀(jì)80年代的“軍備競(jìng)賽”，在那時(shí)，很多公司花費(fèi)大量的研發(fā)經(jīng)費(fèi)來(lái)使自己保持領(lǐng)先地位。這些公司竭盡所能地以最小體積的器件來(lái)處理最大的功率。然而這一趨勢(shì)也帶來(lái)了諸多挑戰(zhàn)，如全新的拓?fù)洌o(wú)橋功率因數(shù)糾正）、更高的開(kāi)關(guān)頻率，當(dāng)然也包括功效的提高。在輔助器件方面，我們也擁有了全新的技術(shù)：諸如氮化鎵 (GaN) 和碳化硅 (SiC) 開(kāi)關(guān)器件等寬帶隙 (WBG) 器件。我們還需要支持面向這一趨勢(shì)的生態(tài)系統(tǒng)，其中包括更快速的驅(qū)動(dòng)器和那些能夠管理這些驅(qū)動(dòng)器和開(kāi)關(guān)器件功能的控制器。具有10ns以下最低脈沖寬度以及更短傳播延遲的器件在實(shí)現(xiàn)那些能夠支持更高功率密度發(fā)展趨勢(shì)的拓?fù)浞矫姘l(fā)揮了關(guān)鍵作用。很多高功率密度演示使用了高性能數(shù)字電源控制器，這些控制器本身不會(huì)消耗很多電能，但需要有非常好的邊緣控制以及極快的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)回路控制。此外，它們還需要能夠迅速計(jì)算針對(duì)下一開(kāi)關(guān)周期響應(yīng)時(shí)間的電路。所以，不難看出，功率密度的重大改進(jìn)為創(chuàng)新提供了肥沃的土壤。
智能電源
智能電源是一個(gè)主要?jiǎng)?chuàng)新趨勢(shì)，通過(guò)讓系統(tǒng)管理電源子系統(tǒng)來(lái)滿足系統(tǒng)效率要求。在過(guò)去，電源子系統(tǒng)基本上是自我管理的。根據(jù)系統(tǒng)需求，電源設(shè)計(jì)人員可以在排序、軟啟動(dòng)和停止以及故障檢測(cè)響應(yīng)等方面配置電源，但是這些基本都屬于基本配置。目前的系統(tǒng)要求電源子系統(tǒng)和主系統(tǒng)之間更加實(shí)時(shí)的合作與配合。諸如電源管理總線 (PMBus) 的工業(yè)接口有助于接口和數(shù)據(jù)協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化，但是在系統(tǒng)與電源配合工作時(shí)它才會(huì)發(fā)揮真正的優(yōu)勢(shì)。在大多數(shù)情況下，系統(tǒng)往往會(huì)提前知道何時(shí)改變工作模式，而這將要求電源系統(tǒng)的運(yùn)轉(zhuǎn)方式作出相應(yīng)的改變。與電源系統(tǒng)分享這些信息使得電源能夠做適當(dāng)?shù)捻憫?yīng)。
當(dāng)系統(tǒng)與電源子系統(tǒng)能夠以較高的電平進(jìn)行通信時(shí)，我們將迎來(lái)巨大的創(chuàng)新機(jī)會(huì)。目前的系統(tǒng)使用動(dòng)態(tài)電壓縮放 (DVS)，系統(tǒng)告訴電源子系統(tǒng)改變輸出電壓。雖然這個(gè)方法有效，但是能做到的并不僅僅是這些。以更高的電平傳遞更多的信息可以將更豐富的信息提供給多維電源，而這更好地滿足了對(duì)響應(yīng)的需求。混合信號(hào)處理技術(shù)使設(shè)計(jì)人員能夠?qū)崿F(xiàn)最優(yōu)分區(qū)。電源集成電路 (IC) 設(shè)計(jì)人員能夠?qū)?shù)字智能器件與最佳模擬電路緊密結(jié)合在一起。這使得集成電源轉(zhuǎn)換器能夠滿足對(duì)更加智能電源子系統(tǒng)的需要，以使其可以更加輕松地與主系統(tǒng)配合工作。未來(lái)的器件將加快解決總體系統(tǒng)效率的發(fā)展趨勢(shì)。
能量采集
能量采集發(fā)展趨勢(shì)是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的主要推動(dòng)者。很多IoT器件依賴(lài)于無(wú)線連接方面的創(chuàng)新，但是要想實(shí)現(xiàn)真正地高效運(yùn)轉(zhuǎn)，這些IoT器件需要采用無(wú)線供電方式。電池當(dāng)然可以為IoT供電，但是在后續(xù)使用中的電池替換會(huì)是一個(gè)問(wèn)題。只要能夠提供所需的全部電能，那么從環(huán)境中采集能量將是明智選擇。采集環(huán)境能量為創(chuàng)新提供了很多機(jī)會(huì)。改進(jìn)能量采集器的效率是主要的研究領(lǐng)域，但是如何管理這些采集到的能量也同樣重要。環(huán)境中的能量并不一直那么穩(wěn)定，所以必須在能量充足時(shí)將能量?jī)?chǔ)存起來(lái)，以備不時(shí)之需。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目的，能量采集管理單元應(yīng)該消耗盡可能少的能量。
IoT的另一個(gè)問(wèn)題是，為了最大限度地減少所需總能量，峰值平均功率比往往比較極端，經(jīng)常超過(guò)1000比1。能量管理單元需要在保持極低功耗的同時(shí)，以極短的延遲時(shí)間處理這些請(qǐng)求。
也許大家都沒(méi)有意識(shí)到，數(shù)字電源控制成為流行的電源管理趨勢(shì)并在APEC引起熱議已經(jīng)是十年前的事了。這表明數(shù)字電源控制并非全新的趨勢(shì)，而是因工藝技術(shù)創(chuàng)新而重新煥發(fā)活力。在這場(chǎng)工藝技術(shù)創(chuàng)新中，高性能數(shù)字電路可以與高性能模擬電路集成在同一芯片上。我們可以在某些領(lǐng)域應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)相同的情況。例如在IC封裝中以低成本的方式集成高性能無(wú)源元件。
我們很難區(qū)分原因與結(jié)果，就像是先有雞還是先有蛋這個(gè)問(wèn)題一樣，很難給出答案。是技術(shù)拉開(kāi)了某個(gè)發(fā)展趨勢(shì)的序幕，還是一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)催生了一項(xiàng)技術(shù)？但有一點(diǎn)是很明顯的，我們不能再坐等創(chuàng)新趨勢(shì)了。就像谷歌舉辦的“小盒子挑戰(zhàn)賽”(Little Box Challenge) 所告訴我們的那樣，如果我們不推動(dòng)行業(yè)創(chuàng)新，那么其他人就會(huì)這么做。