德州儀器CTO：電源和數(shù)據(jù)的交融與創(chuàng)新

從通過(guò)電信巨頭和無(wú)線廣播公司獲取集中信息，到有線電話和有線電視的問(wèn)世，早在30年前，人們與數(shù)據(jù)交互的方式就發(fā)生了翻天覆地的變化。而如今，高壓電源的發(fā)展正遵循著相似的發(fā)展軌跡。

產(chǎn)品的尺寸和外形都在逐步縮小，而其所能實(shí)現(xiàn)的功率轉(zhuǎn)換卻越來(lái)越高。在日常生活中，人們對(duì)于功效、智能化和封裝也提出了更多的要求。目前，移動(dòng)設(shè)備的電池儲(chǔ)能容量已經(jīng)十分可觀，并且仍在努力滿足人們的使用需求和預(yù)期。

從更大規(guī)模的角度出發(fā)，我們看到數(shù)據(jù)中心也在不斷成長(zhǎng)，而其所消耗的電能總量也始終保持在70兆瓦以上。這是一個(gè)不容忽視的能量消耗，因?yàn)榧词乖谒鼈冮e置或準(zhǔn)備處理網(wǎng)絡(luò)搜索信息時(shí)也是如此。在汽車領(lǐng)域，電動(dòng)車輛可以由一個(gè)800V的電池電源供電運(yùn)行，同時(shí)支持12V和18V電壓軌。要實(shí)現(xiàn)諸如此類的應(yīng)用，就需要全新的功率器件以及不同電壓域間高效的電力轉(zhuǎn)換。

電力不再只由大型發(fā)電廠和長(zhǎng)達(dá)數(shù)英里的AC供電線路進(jìn)行傳輸。事實(shí)上，人們可以從屋頂?shù)奶?yáng)能板上采集能量，然后再將它賣回給電網(wǎng)。一個(gè)安裝在墻上、每天由太陽(yáng)能板充電的電池可以提供充足的電能，從而無(wú)需再通過(guò)電網(wǎng)供電。甚至也許在未來(lái)的某一天，電動(dòng)汽車也將成為一個(gè)儲(chǔ)能中心。

就像數(shù)據(jù)不再集中，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)互聯(lián)并以多種方式進(jìn)行存儲(chǔ)一樣——從基于云端的服務(wù)器到隨身攜帶的USB，發(fā)電、電能儲(chǔ)存、電力配送和傳輸方面的巨大變化也都將對(duì)我們的生活和工作方式產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。

不過(guò)，數(shù)據(jù)與電源之間的關(guān)系不僅僅是它們的演變方式相同。在如今的某些應(yīng)用中，它們開始實(shí)現(xiàn)融合，并且能夠通過(guò)下一代USB連接設(shè)備進(jìn)行傳輸，同時(shí)通過(guò)集成芯片中的隔離隔柵，更加深入地嵌入到了高壓應(yīng)用中。這一系列的轉(zhuǎn)變正在對(duì)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)內(nèi)的創(chuàng)新產(chǎn)生巨大影響。

能源效率

我們生活在高能耗的數(shù)字世界中。每一次查看社交媒體資訊、支付賬單、下載電子書或發(fā)送電子郵件，都會(huì)使用位于巨大數(shù)據(jù)中心內(nèi)的海量服務(wù)器。

當(dāng)這些服務(wù)器準(zhǔn)備處理或正在處理信息時(shí)，它們需要大量的電力。對(duì)于電力的需求維持了服務(wù)器的運(yùn)行，同時(shí)也讓更多的電動(dòng)和混動(dòng)汽車出現(xiàn)在路面上，而這種需求還為正處于上升趨勢(shì)的電子化浪潮注入了新的活力。

隨著這些創(chuàng)新逐漸融入到日常生活中，我們對(duì)于電能持續(xù)增長(zhǎng)的需求將永無(wú)止境。能效的提升已經(jīng)迫在眉睫。

突破性材料

與數(shù)據(jù)相似，目前電源的發(fā)展也千變?nèi)f化。無(wú)論是從AC到DC、DC到DC或是DC到AC的高壓電能轉(zhuǎn)換，都需要高效的功率轉(zhuǎn)換模塊。隨著電力需求不斷增長(zhǎng)，這些模塊也隨之需求更高效及性能更佳的技術(shù)，并且能夠在嚴(yán)酷的條件下傳送高壓電源。

這正是以氮化鎵、碳化硅和硅制超結(jié)為基礎(chǔ)進(jìn)行制造的先進(jìn)技術(shù)的用武之地。相對(duì)于傳統(tǒng)的硅制功率器件，這些材料的發(fā)熱量更低，這也意味著它們可以高效地在多個(gè)電源之間傳輸高壓電力，并且可以實(shí)現(xiàn)從一個(gè)電源到另一個(gè)電源的高效轉(zhuǎn)換。

這些突破性技術(shù)需要復(fù)雜的電路架構(gòu)和封裝技術(shù)，而這些架構(gòu)和封裝技術(shù)已經(jīng)完全不同于此前為半導(dǎo)體數(shù)十年的發(fā)展打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)的架構(gòu)。此外，雖然傳統(tǒng)CMOS技術(shù)已經(jīng)普遍遵循摩爾定律，即每隔幾年數(shù)據(jù)傳輸和處理速率就會(huì)加倍，這些全新材料大約每五到十年就會(huì)在高壓功率密度方面取得突破性進(jìn)展。

諸如此類的提升對(duì)于高度電氣化世界而言十分關(guān)鍵。在電池運(yùn)行系統(tǒng)中，對(duì)于更高功效的需求是關(guān)鍵所在，因?yàn)殡姵丶夹g(shù)很難跟上新特性出現(xiàn)的步伐。此外，電源管理領(lǐng)域的改進(jìn)和提升對(duì)于不斷增加、用于實(shí)現(xiàn)各類互聯(lián)設(shè)備應(yīng)用的數(shù)據(jù)中心也至關(guān)重要。這些數(shù)據(jù)中心內(nèi)的服務(wù)器消耗了大量的電力，而半導(dǎo)體技術(shù)將通過(guò)減少降壓功率轉(zhuǎn)換的數(shù)量來(lái)提升它們的效率。

在汽車應(yīng)用領(lǐng)域，設(shè)計(jì)人員每年都在將更多的高能耗、高壓電子元器件集成到車輛中。有趣的是，每增加100W功率，就會(huì)帶來(lái)5美元制造成本的提升，而汽車功率正以每年100W的速度在增長(zhǎng)，對(duì)于電動(dòng)車輛來(lái)說(shuō)，也許功率的增加速度會(huì)更快。先進(jìn)的功率器件氮化鎵和碳化硅將在這些電路中發(fā)揮越來(lái)越重要的作用，其原因就在于它們能夠提升功率密度。例如，對(duì)于電動(dòng)車輛來(lái)說(shuō)，這意味著電池充電時(shí)間更短、電量保持時(shí)間更長(zhǎng)、續(xù)航里程更遠(yuǎn)，并且能夠運(yùn)行更多的高壓系統(tǒng)。

USB Type-C™ 技術(shù)

下一代USB Type-C連接中的電源與數(shù)據(jù)正在發(fā)生交融，同時(shí)正在改變我們?nèi)粘?duì)這些技術(shù)的使用方式。例如，大多數(shù)筆記本電腦目前都包含數(shù)個(gè)接口，用于充電、顯示、音頻以及更多的傳統(tǒng)USB連接。

正在成為全新標(biāo)準(zhǔn)的USB Type-C將所有這些數(shù)據(jù)和電源接口合并為一個(gè)高容量線路，并且不受插頭正反的限制。

隔離隔柵

從空調(diào)系統(tǒng)到工廠自動(dòng)化應(yīng)用，電源與數(shù)據(jù)也跨過(guò)高壓電路中的隔離隔柵匯聚在了一起。對(duì)于獨(dú)立電源的需求在迅速增長(zhǎng)，同時(shí)雖然跨過(guò)隔離隔柵傳輸數(shù)據(jù)的功能已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)年，對(duì)于電力的傳輸仍然需要一個(gè)占用寶貴電路板空間，并且會(huì)產(chǎn)生可靠性問(wèn)題的分立式變壓器。

不過(guò)，德州儀器(TI)所推出的一款全新器件ISOW7841已經(jīng)通過(guò)將多個(gè)硅片和一個(gè)變壓器集成在單個(gè)封裝內(nèi)解決了這一難題。此外，相較于市面上其它的解決方案，ISOW7841在電力傳輸方面的效率要高出80%，并且運(yùn)行時(shí)更加安靜。