電力電子面臨的最嚴峻挑戰(zhàn)之一是效率,必須最大限度地提高效率,以滿足國際標準的要求并減少電力浪費,創(chuàng)造更可持續(xù)的產(chǎn)品。 任何交流供電的應用都需要電源,從最簡單的手機充電器到工業(yè)應用中最復雜、功能最強大的SMPS。在理想的電源中,從交流電源汲取的所有功率都可供負載使用。實際上,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,試圖盡可能接近對應于單位功率因數(shù)的理想情況。
人類最原始的沖動是前進,讓事情變得更好、更快、更大。我們在半導體行業(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、更快地實現(xiàn)了這一目標。
隨著 5G 網(wǎng)絡、云計算、物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 和虛擬化的普及,IT 基礎設施正在推動對高性能計算服務器的需求。 每一代新的服務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。確保服務器滿足市場需求的關鍵方面之一是了解微處理器的電源對整個服務器的動態(tài)響應和效率的影響。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)行為以適應手頭的任務,則可以實現(xiàn)相當大的功率節(jié)省。
最近,我正在研究可用于為 FPGA 供電的不同參考設計和資源。我發(fā)現(xiàn)一種設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計,另一種是使用 PMBus 設備制成的設計,為工程師提供了最大的靈活性來控制和監(jiān)控每個軌道。盡管所有這些設計各不相同,但一個共同點是電源管理解決方案占用了相當大的電路板空間,其中包括穩(wěn)壓器、LDO、復位 IC、定序器、功率級等。
在過去十年中,電池供電的應用已變得司空見慣,此類設備需要一定程度的保護以確保安全使用。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)設計包括設計參數(shù)之間的許多權衡,例如尺寸、成本、效率和負載瞬態(tài)性能。為了設計功率級,必須建立各種特性,例如瞬態(tài)容限、紋波電壓和負載特性。系統(tǒng)設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撲來提高電源轉換效率,以開發(fā)具有更長運行時間和更小的占位面積的系統(tǒng)。低效率對應于增加的功耗,必須充分處理。較低的開關頻率會降低開關損耗,但較高的開關頻率可提供更高的性能和更快的瞬態(tài)響應。西蘭娜半導體推出了智能功率共享降壓轉換器電源IC。具有集成 USB-PD/FC 端口控制器的新型 SZPL3002A 降壓轉換器 IC 可顯著減少執(zhí)行 65-W 快速充電器和具有多達四個端口的適配器應用所需的組件數(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 降壓轉換器中實現(xiàn)智能電源共享。
設計人員和最終用戶現(xiàn)在將 USB 視為一種通用的、有點通用的充電源,在最佳情況下(USB 3.1/Type C)可提供高達約 100 瓦的功率。我們看到許多關于管理最新 USB 標準的電源傳輸和處理規(guī)范的應用筆記、文章和 IC。
隨著信息娛樂和高級駕駛輔助系統(tǒng) (ADAS) 的進步,半自動和自動駕駛的發(fā)展和擴展正在迅速接近。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控制器生成在轉換模式下運行所需的閉環(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。
設計電源與其說是科學,不如說是一門藝術。瞬態(tài)和現(xiàn)實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)字電源設計中的功率級盡可能接近。為了測量實際系統(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,電源設計人員必須測量系統(tǒng)的頻率響應。然后將該數(shù)據(jù)繪制在波特圖上并進行分析,以確定電源控制器設計的增益和相位裕度。在很多情況下,由于模型與實際工廠的不一致,在電源設計過程中會多次重復此過程。
TPS40422 和 TPS40425 是兩種流行的數(shù)字 PMBus 控制器,用于從 10A 到 100A 的許多負載點 (PoL) 應用。兩個數(shù)字控制器都設計為在沒有 PMBus 的情況下啟動;但是,需要對其進行編程以充分利用遙測、排序和裕度功能等優(yōu)勢。
企業(yè)服務器和交換機、存儲連接網(wǎng)絡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 電池組等所謂的嚴格限制電源運行的設計世界中,很高興知道仍然需要能夠處理更寬輸入擺幅的穩(wěn)壓器。
我們終于進入了計算機與我們和我們的環(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。相機可以辨別一個人注視的焦點。智慧城市。工業(yè) 4.0。自動駕駛。5G網(wǎng)絡。智能電網(wǎng)。這些領域的應用增長正在推動半導體設計的增長遠高于行業(yè)平均水平。