解讀電源三大熱門(mén)領(lǐng)域的技術(shù)方案　

作者/ 迎九　王金旺《電子產(chǎn)品世界》編輯

摘要：在智能化 、網(wǎng)絡(luò)化的當(dāng)下時(shí)代，各種新型電子產(chǎn)品層出不窮，而在各電子產(chǎn)品中，電源模塊一直都是不可避免的課題，隨著新材料和新工藝不斷涌現(xiàn)、不斷發(fā)展，電源模塊的的各方面性能也不斷得到完善。本次專(zhuān)題就功率器件、光伏和隔離器三個(gè)方面，邀請(qǐng)業(yè)內(nèi)專(zhuān)業(yè)人士共同探討電源的發(fā)展和革新。

功率器件與電源模塊

　　電源管理器件需要小尺寸提供高效率

　　開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的控制方式一般采用電流控制模式，但是負(fù)載電流變動(dòng)的過(guò)渡響應(yīng)特性有時(shí)達(dá)不到要求的規(guī)格。作為解決對(duì)策，可使用滯后控制方式的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，該穩(wěn)壓器屬于滯后控制中的一種固定導(dǎo)通時(shí)間控制，可反饋輸出電壓生成的紋波電壓波形，并用比較器比較紋波電壓底部和基準(zhǔn)電壓后進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，據(jù)此將輸出電壓保持到一定水平。反饋電壓低于基準(zhǔn)電壓時(shí)，生成單脈沖并導(dǎo)通高邊開(kāi)關(guān)，從而從輸入端向輸出端供應(yīng)電流。用比較器單純地進(jìn)行比較并逐次進(jìn)行開(kāi)關(guān)控制，幾乎沒(méi)有反饋控制的時(shí)間遲延，所以與電流控制模式相比，可獲得更快速的過(guò)渡響應(yīng)特性。

　　H3Reg^TM控制是固定導(dǎo)通時(shí)間控制的進(jìn)化版，是ROHM獨(dú)有的控制方式。負(fù)載電流急劇增加時(shí)，輸出電壓降低;在超過(guò)反饋電壓決定的導(dǎo)通時(shí)間，輸出電壓也未能超過(guò)基準(zhǔn)電壓時(shí)，通過(guò)延長(zhǎng)高邊開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間提供更多電力，加快輸出電壓恢復(fù)的速度。據(jù)此，可得到比固定導(dǎo)通時(shí)間控制更快速的過(guò)渡響應(yīng)特性。另外，由于負(fù)載急劇變化時(shí)，開(kāi)關(guān)次數(shù)少，所以可減少噪聲發(fā)生。

　　工業(yè)應(yīng)用

　　工業(yè)應(yīng)用電源多需要高電壓降壓轉(zhuǎn)換器，以較小的方案尺寸提供高效率，ROHM利用尖端的功率系統(tǒng)工藝和垂直統(tǒng)合型一條龍生產(chǎn)線，面向非常重視可連續(xù)工作的可靠性和長(zhǎng)期穩(wěn)定供應(yīng)的工業(yè)設(shè)備市場(chǎng)，開(kāi)發(fā)出眾多新產(chǎn)品。例如，ROHM面向需要大功率(高電壓×大電流)的通信基站和工業(yè)設(shè)備領(lǐng)域，開(kāi)發(fā)出耐壓高達(dá)80V的MOSFET內(nèi)置型DC/DC轉(zhuǎn)換器 "BD9G341AEFJ"。BD9G341AEFJ"采用功率系統(tǒng)工藝0.6μm的高耐壓BiCDMOS作為非絕緣型DC/DC轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)了80V的業(yè)界高耐壓水平，在ROHM的DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)品陣容中，也是耐壓最高的產(chǎn)品。利用ROHM擅長(zhǎng)的模擬設(shè)計(jì)技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在80V級(jí)的DC/DC轉(zhuǎn)換器中，還實(shí)現(xiàn)了業(yè)界較高的轉(zhuǎn)換效率。與一般產(chǎn)品相比，本產(chǎn)品即使輸出引腳發(fā)生意外短路(接觸)，也可通過(guò)保護(hù)電路抑制發(fā)熱，從而防止產(chǎn)品受損，因此，有助于提高應(yīng)用產(chǎn)品的可靠性。不僅如此，這些優(yōu)勢(shì)僅通過(guò)簡(jiǎn)單的小型8引腳封裝即可完全實(shí)現(xiàn)，可減少安裝面積和周邊零部件數(shù)量。

　　用高密度提升產(chǎn)品性能

　　Vicor以磚式或模塊電源聞名。相比于很多IPM(智能功率模塊)和功率器件等產(chǎn)品，Vicor做的是模塊化電源系統(tǒng)。而IPM，通常是功率器件或電源器件與控制芯片的集成。相比后者，Vicor的磚式或模塊的集成度更高，里面有功率器件、控制芯片與很多信號(hào)調(diào)理電路，利用獨(dú)特的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)高密度、高效和高可靠性。

　　Vicor高密度產(chǎn)品

　　Vicor的AD/DC集成方案是內(nèi)部的兩級(jí)拓?fù)?，前?jí)是零電壓開(kāi)關(guān)的升降壓轉(zhuǎn)換器，后級(jí)是零電壓零電流的母線轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)。一般的電源轉(zhuǎn)換器都是兩級(jí)結(jié)構(gòu)，而Vicor與一般產(chǎn)品對(duì)應(yīng)的是單級(jí)變換，因此，Vicor的優(yōu)勢(shì)是成本較低。但單級(jí)效率不太容易提升，Vicor現(xiàn)在的DC/DC已經(jīng)是兩級(jí)，使效率和密度都上去了。

　　另外，Vicor的ZVS buck(零電壓開(kāi)關(guān))轉(zhuǎn)換器采用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的降壓芯片，不僅如此，升降壓、升壓等也都是零電壓開(kāi)關(guān)，因而損耗低，開(kāi)關(guān)頻率可以做到1MHz以上的高頻。

　　數(shù)據(jù)中心：48V直轉(zhuǎn)CPU

　　Vicor已經(jīng)為Intel VR13 48V做了很多年產(chǎn)品。2016年3月9日，谷歌發(fā)布基于48V的方案，并在OCP(開(kāi)放計(jì)算項(xiàng)目)上宣布采用了Vicor方案。另外，在今年召開(kāi)的Facebook OCT會(huì)上，已有客戶明確提出采用48V方案。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)也有一些廠商在做48V轉(zhuǎn)CPU方案了。

　　目前，本土?xí)性囉?8V轉(zhuǎn)CPU方案。國(guó)外已出貨幾百萬(wàn)片(例如谷歌等)。實(shí)際上，國(guó)內(nèi)的天蝎2.5已包括48V電源，但是48V轉(zhuǎn)12V，預(yù)計(jì)天蝎3.0今年會(huì)發(fā)布，有可能直接接到CPU，有可能有48V母線選項(xiàng)。

　　具體地，Intel的VR13是對(duì)CPU的電壓調(diào)整(VR)規(guī)范，涉及動(dòng)態(tài)響應(yīng)、電壓調(diào)整精度、負(fù)載線變化等，指標(biāo)非常嚴(yán)格，近乎苛刻。所以入圍Intel VR13的朋友圈已經(jīng)實(shí)屬不易，而Vicor卻可以提供成熟應(yīng)用的方案。

　　實(shí)際上，48V轉(zhuǎn)CPU的電壓效率，與12V轉(zhuǎn)CPU的效率差不多，但是輸入48V進(jìn)來(lái)，反向的損耗或母線排上的損耗減少會(huì)很多，電流只有其1/4。

　　工業(yè)用電源及電源管理器件的新進(jìn)展

　　隨著各大行業(yè)的飛速發(fā)展，對(duì)工業(yè)電源的可靠性、容量/體積比、安裝等要求越來(lái)越高。對(duì)此，工業(yè)電源的發(fā)展有以下幾個(gè)方面的趨勢(shì)：1)更高功率密度，不斷提升轉(zhuǎn)換效率、可靠性;2)便于安裝和擴(kuò)容，簡(jiǎn)化應(yīng)用;3)應(yīng)用數(shù)字信號(hào)控制技術(shù)，形成與外界的數(shù)字化通訊接口;4)提高集成度，走向智能化。

　　作為工業(yè)設(shè)備核心器件的工業(yè)電源當(dāng)以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向，著力突破制約電源發(fā)展的關(guān)鍵電路設(shè)計(jì)與制造技術(shù)。

　　金升陽(yáng)各系統(tǒng)中的應(yīng)用方案

　　近幾年，金升陽(yáng)以解決客戶在實(shí)際應(yīng)用中遇到的諸多難題為目標(biāo)，利用數(shù)百項(xiàng)專(zhuān)利技術(shù)，針對(duì)智能電網(wǎng)、新能源、軌道交通、醫(yī)療、充電樁等領(lǐng)域開(kāi)發(fā)了一系列行業(yè)專(zhuān)用電源，并已經(jīng)成功地應(yīng)用在各個(gè)系統(tǒng)中。如：

　　智能電網(wǎng)領(lǐng)域：發(fā)電環(huán)節(jié)，配合新能源開(kāi)發(fā)，PV系列電源針對(duì)1500V光伏系統(tǒng)研發(fā)，適用于光伏匯流箱、光伏逆變器等系統(tǒng);變電環(huán)節(jié)，PV45系列電源針對(duì)SVG行業(yè)研發(fā)，可直接從高壓母線取電給控制系統(tǒng)供電;配電環(huán)節(jié)，MBP系列充電電源適用于DTU、TTU等系統(tǒng);智能管理環(huán)節(jié)，LS/LD系列AC-DC電源應(yīng)用于智能電表、儀器儀表中。

　　軌道交通領(lǐng)域：6-150W URB1D/URF1D系列DC-DC電源滿足EN50155鐵標(biāo)認(rèn)證，適用于72V、96V、110V 的鐵路車(chē)載電子設(shè)備以及軌旁電氣設(shè)備，如鐵路監(jiān)控設(shè)備、空調(diào)控制器、信息顯示屏、門(mén)控系統(tǒng)等。

　　醫(yī)療領(lǐng)域：G(H)_S系列DC/DC電源和LH-MU系列AC-DC電源滿足第三版醫(yī)療認(rèn)證，適用于注射泵、多功能監(jiān)護(hù)儀、營(yíng)養(yǎng)箱等診斷類(lèi)或輔助類(lèi)醫(yī)療器械。

　　充電樁領(lǐng)域：CAN/CAN-FD/RS485系列通訊模塊、寬壓DC-DC模塊、LO/LM/LI系列AC-DC模塊等適用于直流充電樁和交流充電樁系統(tǒng)。

　　汽車(chē)電子領(lǐng)域：CF系列DC-DC電源符合AEC-Q100設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，適用于車(chē)用通訊系統(tǒng)電機(jī)控制器、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)(BMS)等系統(tǒng)。

　　電源管理的智能化是大勢(shì)所趨

　　Maxim Integrated TTS Asia應(yīng)用工程師經(jīng)理魏智認(rèn)為，電子產(chǎn)品小型化是許多領(lǐng)域的共同主題，消費(fèi)類(lèi)電子從便攜到可穿戴;工業(yè)4.0帶動(dòng)了尺寸更小、功能更強(qiáng)大的uPLC需求。輕、薄、小是各大品牌推廣產(chǎn)品的關(guān)鍵詞，而支撐市場(chǎng)發(fā)展的背后離不開(kāi)電源管理技術(shù)的進(jìn)步。功率密度的不斷提升，電源管理的高度智能化是電源技術(shù)發(fā)展的大勢(shì)所趨。無(wú)論是大功率數(shù)據(jù)中心、中等功率的工業(yè)應(yīng)用，還是低功耗便攜設(shè)備，單位面積能夠產(chǎn)生的輸出功率都是非常重要的指標(biāo)。為此，我們始終在先進(jìn)工藝、封裝技術(shù)、設(shè)計(jì)和系統(tǒng)架構(gòu)上不斷創(chuàng)新。Maxim最新推出的MAX17222 nanoPower boost，具有業(yè)內(nèi)高效率和300nA低靜態(tài)電流(IQ)，相比同類(lèi)產(chǎn)品可減少多達(dá)50%的方案面積，并提供95%的峰值效率，使發(fā)熱降低。幫助可穿戴及消費(fèi)類(lèi)IoT設(shè)計(jì)在更小尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)大的功能與性能，獲取更長(zhǎng)的電池壽命。

　　低功耗系統(tǒng)管理

　　提升吞吐率是工業(yè)、數(shù)據(jù)中心、消費(fèi)類(lèi)電子，甚至汽車(chē)電子等應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)鍵，而實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的核心技術(shù)在于低功耗系統(tǒng)管理。電源管理器件是Maxim銷(xiāo)售收入的重要來(lái)源，我們不僅在消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品提供領(lǐng)先的解決方案，同時(shí)也致力于汽車(chē)、工業(yè)、通信和數(shù)據(jù)中心等應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新技術(shù)，提供高性價(jià)比電源產(chǎn)品。

　　在汽車(chē)領(lǐng)域，電子零部件使用比例的增加不僅帶動(dòng)了PMIC需求的上升，還促進(jìn)了汽車(chē)銷(xiāo)量的提升。同時(shí)，電動(dòng)和混合動(dòng)力汽車(chē)也對(duì)PMIC提出了新的需求和挑戰(zhàn)。Maxim的汽車(chē)電源可以工作在低至3.5V，甚至2V的輸入電壓環(huán)境下，同時(shí)可承受高達(dá)40V/42V的拋負(fù)載電壓。99%的占空比確保汽車(chē)起停或冷啟動(dòng)是保持穩(wěn)定的輸出電壓。較高的工作頻率以及擴(kuò)頻模式，既可避開(kāi)對(duì)AM波段的干擾，又可以解決EMI問(wèn)題，并允許使用小尺寸外部元件。

　　在大數(shù)據(jù)和云計(jì)算領(lǐng)域，數(shù)據(jù)中心的革命正在進(jìn)行——越來(lái)越多的企業(yè)服務(wù)器遷移到了云端。這一革命驅(qū)動(dòng)著新系統(tǒng)架構(gòu)和商業(yè)模式的衍生，并推動(dòng)著云計(jì)算和大數(shù)據(jù)應(yīng)用對(duì)PMIC需求的提升。Maxim的電源管理方案能夠幫助用戶從容應(yīng)對(duì)這一挑戰(zhàn)。

光伏

　　中國(guó)市場(chǎng)需要?jiǎng)?chuàng)新應(yīng)用

　　中國(guó)光伏市場(chǎng)的起步略滯后于國(guó)際上領(lǐng)先的歐美國(guó)家，但發(fā)展迅猛，在相當(dāng)短的時(shí)間里，集中式逆變器技術(shù)和電站安裝量都處于世界領(lǐng)先地位。集中式逆變器技術(shù)發(fā)展來(lái)自于專(zhuān)業(yè)的光伏逆變器企業(yè)，以及不間斷電源和風(fēng)電變流器企業(yè)。他們?cè)谑袌?chǎng)迅猛發(fā)展靠的是以前的技術(shù)積累，而且這些年輕的企業(yè)有著很強(qiáng)的創(chuàng)新精神，沒(méi)有沿襲國(guó)外逆變器的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)，而采用了來(lái)自英飛凌的新技術(shù)，如PrimePACK?3和 EconoDUAL?3等功率半導(dǎo)體新技術(shù)，使得中國(guó)光伏逆變器的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力前所未有地強(qiáng)大。

　　光伏系統(tǒng)朝著1500V直流方向發(fā)展，針對(duì)新的應(yīng)用，我們會(huì)準(zhǔn)備全新的技術(shù)方案。采用IGBT5 .xt技術(shù)的新一代PrimePACK?3可以使得單機(jī)容量做到1MW以上，真正體現(xiàn)1500V光伏系統(tǒng)的價(jià)值。為推動(dòng)1500V光伏系統(tǒng)技術(shù)，我們?cè)诤陀性O(shè)計(jì)咨詢能力第三方實(shí)驗(yàn)室及認(rèn)證機(jī)構(gòu)合作，服務(wù)于整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。