電源技術的進展與電源管理的應用

一、引言
     電能是目前人類生產(chǎn)和生活中最重要的一種能源形式。合理、高效、精確和方便地利用電能仍然是人類所面臨的重大問題。采用電力電子技術的電源裝置給電能的利用帶來了革命。在世界范圍內(nèi)，用電總量中經(jīng)過電力電子裝置變換和調(diào)節(jié)的比例已經(jīng)成為衡量用電水平的重要指標，目前全球范圍內(nèi)該指標的平均數(shù)為40%，據(jù)美國國家電力科學研究院預測，到2010年將達到80%。這對電源技術提出了新的挑戰(zhàn)。
     上世紀80年代，提出了電源制造中電力電子集成概念，明確了集成化是電力電子技術未來發(fā)展的方向，是解決電力電子技術發(fā)展面臨障礙的最有希望的出路。電源集成電路逐步成為功率半導體器件中的主導器件，把電源技術推向了電源管理的新時代。電源管理集成電路分成電壓調(diào)整器和接口電路兩方面。正是因為這么多的集成電路(IC)進入電源領域，人們才更多地以電源管理來稱呼現(xiàn)階段的電源技術。
二、電源技術的進展
      電源技術是一種應用功率半導體器件，綜合電力變換技術、現(xiàn)代電子技術、自動控制技術的多學科的邊緣交叉技術。隨著科學技術的發(fā)展，電源技術又與現(xiàn)代控制理論、材料科學、電機工程、微電子技術等許多領域密切相關。目前電源技術已逐步發(fā)展成為一門多學科互相滲透的綜合性技術學科。它對現(xiàn)代通訊、電子儀器、計算化、工業(yè)自動化、電力工程、國防及某些高新技術提供高質(zhì)量、高效率、高可靠性的電源起著關鍵的作用。
上世紀40年代晶體管問世，隨后不到十年，晶閘管在晶體管漸趨成熟的基礎上問世，從而揭開了電源技術長足發(fā)展序幕。半個世紀以來，電源技術的發(fā)展不斷創(chuàng)新。
1、高頻變換是電源技術發(fā)展的主流
      電源技術的精髓是電能變換。利用電能變換技術，將市電或電池等一次電源變換成適合各種用電對象的二次電源。開關電源在電源技術中占有重要地位，從20kHz發(fā)展到高穩(wěn)定度、大容量、小體積、開關頻率達兆赫茲的高頻開關電源，為高頻變換提供了物質(zhì)基礎，促進了電源技術的發(fā)展。高頻化帶來的最直接的好處是降低原材料消耗，電源裝置小型化，提高功率密度，加快系統(tǒng)的功態(tài)響應，進一步提高電源裝置的效率，有效抑制環(huán)境噪聲污染，并使電源進入更廣泛的領域，特別是高新技術領域，進一步擴展了它的應用范圍。
2、新理論、新技術的指導
      單管降壓、升壓電路、諧振變換、移相諧振、軟開關PWM、零過渡PWM等電路拓撲理論；計算機輔助設計(CAD)、功率因數(shù)校正、有源箍位、并聯(lián)均流、同步整流、高頻磁放大器、高速編程、  遙感遙控、微機監(jiān)控等新技術，指導廠電源技術的發(fā)展。
3、新器件、新材料的支撐
       晶閘管(SCR)、可關斷晶閘管(GTO)、大功率晶體管(GTR)、絕緣柵雙極型晶體管 (IGBT)、功率場效應晶體管(MOSFET)、智能ICBT(IPM)、MOS柵控晶閘管(MCT)、靜電感應晶體管(SIT)、超快恢復二極管、無感電容器、無感電阻器、新型鐵氧體、非晶和微晶軟磁合金、納米晶軟磁合金等元器件，裝備廠現(xiàn)代電源技術、促進電源產(chǎn)品升級換代。并正在研究開發(fā)砷化鎵(GaAs)、半導體金剛石、碳化硅(SiC)半導體材料。   [!--empirenews.page--]
4、控制的智能化
        控制電路、驅(qū)動電路、保護電路采用集成組件。數(shù)字信號處理器DSP的采用，實現(xiàn)控制全數(shù)字化?？刂剖侄斡梦⑻幚砥骱蛦纹瑱C組成的軟件控制方式，達到了較高的智能化程度，并且進一步提高電源裝置的可靠性。
5、電源電路的模塊化、集成化
        單片電源和模塊電源取代整機電源，功率集成技術簡化了電源的結構，已經(jīng)在通訊、電力獲得廣泛應用，并且派生出新的供電體制――分布式供電，使集中供電單一體制走向多元化。電路集成的進一步發(fā)展是做系統(tǒng)集成，將信息傳輸、控制與功率半導體器件全部集成在一起，增加了可靠性。     
6、電源設備的標準規(guī)范
       電源設備要進入市場，今天的市場已是超越局域融費全球的一體化市場，必須遵從能源、環(huán)境、電磁兼容、貿(mào)易協(xié)定等共同準則，電源設備要接受安全、 EMC、環(huán)境、質(zhì)量體系等多種標準規(guī)范的論證。
三、電源管理應用
1、電源管理
       電源技術的發(fā)展是以晶閘管 (可控硅)的發(fā)展作為基礎的。 1979年發(fā)明了功率場效應晶體管 (MOSFET)，1986年生產(chǎn)了高壓集成電路(HVTC)，也就是最早的電源集成電路(電源IC)。正是因為電源集成電路逐步成為功率半導體器件中的主導器件，把電源技術推向了電源管理的新時代。
       電源管理半導體從所包含的器件來說，明確強調(diào)電源管理集成電路(電源管理IC，簡稱電源管理芯片)的位置和作用。電源管理半導體包括兩部分，即電源管理集成電路和電源管理分立式半導體器件。
       電源管理集成電路包括很多種類別，大致又分成電壓調(diào)整和接口電路兩方面。電壓凋整器包含線性低壓降穩(wěn)壓器(即LOD)，以及正、負輸出系列電路，此外不有脈寬調(diào)制(PWM)型的開關型電路等。因技術進步，集成電路芯片內(nèi)數(shù)字電路的物理尺寸越來越小，因而工作電源向低電壓發(fā)展，一系列新型電壓調(diào)整器應運而生。電源管理用接口電路主要有接口驅(qū)動器、馬達驅(qū)動器、功率場效應晶體管(MOSFET)驅(qū)動器以及高電壓/大電流的顯示驅(qū)動器等等。
        電源管理分立式半導體器件則包括一些傳統(tǒng)的功率半導體器件，可將它分為兩大類，一類包含整流器和晶閘管；另一類是三極管型，包含功率雙極性晶體管，含有MOS結構的功率場效應晶體管(MOSFET)和絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)等。
在某種程度上來說，正是因為電源管理IC的大量發(fā)展，功率半導體才改稱為電源管理半導體。也正是因為這么多的集成電路 (IC)進入電源領域，人們才更多地以電源管理來稱呼現(xiàn)階段的電源技術。 [!--empirenews.page--]
2、電源管理IC分類
電源管理半導體本中的主導部分是電源管理IC，大致可歸納為下述8種。
2.1、AC/DC調(diào)制IC。內(nèi)含低電壓控制電路及高壓開關晶體管。
2.2、 DC/DC調(diào)制IC。包括升壓/降壓調(diào)節(jié)器，以及電荷泵。
2.3、功率因數(shù)控制PFC預調(diào)制 IC。提供具有功率因數(shù)校正功能的電源輸入電路。
2.4、脈沖調(diào)制或脈幅調(diào)制PWM/ PFM控制IC。為脈沖頻率調(diào)制和/或脈沖寬度調(diào)制控制器，用于驅(qū)動外部開關。
2.5、線性調(diào)制IC(如線性低壓降穩(wěn)壓器LDO等)。包括正向和負向調(diào)節(jié)器，以及低壓降LDO調(diào)制管。
2.6、電池充電和管理IC。包括電池充電、保護及電量顯示IC，以及可進行電池數(shù)據(jù)通訊“智能”電池 IC。
2.7、 熱插板控制IC(免除從工作系統(tǒng)中插入或拔除另一接口的影響)。
2.8、MOSFET或IGBT的驅(qū)動 IC。
     在這些電源管理IC中，電壓調(diào)節(jié)IC是發(fā)展最快、產(chǎn)量最大的一部分。各種電源管理IC基本上和一些相關的應用相聯(lián)系，所以針對不同應用，還可以列出更多類型的器件。
3、電源管理的技術趨勢
      電源管理的技術趨勢是高效能、低功耗、智能化。
提高效能涉及兩個不同方面的內(nèi)容：一方面想要保持能量轉(zhuǎn)換的綜合效率，同時還希望減小設備的尺寸；另一方面是保護尺寸不變，大幅度提高效能。
       在交流/直流(AC/DC)變換中，低的通態(tài)電阻，符合計算機和電信應用中更加高效適配器和電源的需要。在電源電路設計方面，一般待機能耗已經(jīng)降到1W以下，并可將電源效率提高至90%以上。要進一步降低現(xiàn)有待機能耗，則需要有新的IC制造工藝技術及在低功耗電路設計方面的突破。
        越來越多的系統(tǒng)會需要多輸出穩(wěn)壓器。例如帶多輸出和電源通路控制的鋰離子充電電池，多輸出 DC/DC轉(zhuǎn)換器和具有動態(tài)可調(diào)輸出電壓的開關穩(wěn)壓器等。
電源管理IC的智能化，包括從電源控制到電量監(jiān)測與電池管理。
4、電源管理IC應用領域   
        電源管理IC應用在便攜式產(chǎn)品(手機、數(shù)碼相機、筆記本電腦、MP3播放器、移動硬盤等)、數(shù)字消費類電子產(chǎn)品(高清晰度電視機、LCD電視機和面板、DVD播放機)、計算機、通信網(wǎng)絡設備、工業(yè)設備和汽車電子。其中消費類電子產(chǎn)品是電源管理芯片的最大應用領域。
         所有這些應用和產(chǎn)品都需要相應的電源管理技術才能充分發(fā)揮它們的功能。IC方案需要解決產(chǎn)品差異化，電源管理效率，產(chǎn)品尺寸極小型化以及產(chǎn)品功能多樣化。
四、結論
         當代許多高新技術均與電網(wǎng)的電壓、電流、頻率、相位和波形等基本參數(shù)的變換與控制相關。電源技術能夠?qū)崿F(xiàn)對這些參數(shù)的精確控制和高效率的處理，特別是能夠?qū)崿F(xiàn)大功率電能的頻率變換，從而為多項高新技術的發(fā)展提供了有力的支持。電源集成電路的發(fā)展，把電源技術推向了電源管理的新時代。電源技術及其產(chǎn)業(yè)的進―步發(fā)展必將為大幅度節(jié)約電能、降低材料消耗以及提高生產(chǎn)效率提供重要的手段，并為現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活帶來深遠的影響。