释放高压创新的力量

作者：德州仪器（TI）Ramanan Natarajan

高压创新为何如此重要？这是我们常听到的问题，而答案可能会让你大吃一惊。最近，我与我的同事Chris Schairbaum就如何通过高压创新重新定义电源管理的问题共同撰写了一篇白皮书。我们在这篇白皮书中回答了一些客户常常询问有关高压的问题。

问：高压创新如何对不断增加的电力需求产生影响？

答：高压创新旨在提高电力传输和转换的效率，从而降低电源和终端设备之间的功耗。这些创新带来发电方式的改变，例如，引入了可再生能源，并且提升了电机和致冷设备等耗电量较大设备的节电性能。所有这一切使能效稳步上升，从而降低成本，并且减少温室气体排放。

问：半导体和集成电路在哪些方面适合高压方程式？

答：先进的半导体元件是让发电、输电和电力使用更加高效的最重要技术之一，并且这项技术还在不断发展中。用集成电路（IC）实现的智能控制和碳化硅、氮化镓等全新功率半导体材料的使用可以用最小的损耗实现电力转换和管理。此外，智能集成电路硬件可以在电网、工厂、住所、汽车和其他系统中实现通信功能，并且更加高效地监测和控制系统的电力使用量。此外，作为电源和电池充电器的骨干，电源集成电路是实现便携式电子设备快速普遍增长的一个重要因素，在提高效率的同时，也带来了便利性。     

“所有这一切使能效稳定上升，从而降低成本，并且减少温室气体排放。”

问：为什么要将注意力放在高压上？

答：从电源到终端应用，每一个电压转换步骤都涉及功耗。因此，电力转换是一个黄金机会领域。另外，在其他条件相同的情况下，与较高电压相较而言，在输电过程中，较低电压会带来更高比例的功率损耗。由于这些原因，最有效的方法就是，在使用最大限度降低功耗的转换方法对高压进行降压操作前，尽可能地使高压靠近，或者直接进入终端设备。设备和用户附近的高压也需要一些额外的方法对机器和人体进行保护。

问：为了在高压条件下创造更高的效率，我们应该注意什么类型的电源？

答：开关模式电源（SMPS）在电力转换领域逐渐发展壮大，其原因在于它们的固有效率要高于传统线性电源设计的效率。然而，改进SMPS设计是一项不会停止的艺术。这些电源在高频时产生电流，必须防止这些高频率传播到系统的深处，以及逃离回到电源中。此外，电源内运行的灵敏器件容易受到内部阻抗和周围组件干扰的影响。由于这些原因，SMPS解决方案尽可能将更多的系统集成在内，这样可以帮助降低电源设计的复杂性，并有助于降低制造成本。如果这个解决方案能够将小外形尺寸的隔离和功率电路包含在内，那么效果会更好，因为它能够有效地为系统屏蔽外部干扰，并防止高频从系统内迁移到线路上。

问：什么样的新材料在这个领域提供创新机会？

答：制造商正将目光转向氮化镓（GaN，构建在硅基板上）和碳化硅（SiC）等新材料，以便在高电压条件下实现更快的开关速度和更高效率。除了开发众多的硅基解决方案外，TI还开发了数款针对GaN开关的栅极驱动器，并且开始引入高级多芯片模块(MCM)，这些模块既包含栅极驱动器，又包含GaN电源开关。     

“从电源到终端应用，每一个电压转换步骤都涉及功耗。因此，电力转换是一个黄金机会领域。”

问：MCM如何能够帮助重新调整高压电源，以适应终端设备内部的电路板？

答：无论何时，如果因为使用了不同工艺进行功能构建，从而使全系统集成过于昂贵或无法实现的话，那么将两个或多个器件集成到MCM中就是一个可行的解决方案。除了节省空间之外，单芯片和MCM解决方案可提高功率密度，并减少对绕组和散热片等无源材料的需要。该解决方案还简化了设计，因为它们消除或最大限度地减少那些使电源设计很难进行下去的复杂内部阻抗。

问：如何在SMPS设置中对栅极驱动器和电源开关进行精确控制？

答：全新SMPS设计中的高频率至少需要UCD3138控制器等高性能状态机提供的数字控制。更灵活的设备是C2000™32位微控制器（MCU）。这两款设备通过多种高分辨率脉宽调制（PWM）输出提供可编程定时控制。单个C2000 MCU或UCD3138控制器可以处理多级功率转换的闭环控制和诸如保护、测量和通信等其它系统功能。除了提供精密的计时技术外，这些控制器具有高分辨率模数（A/D）转换器，可快速保护隔离信号测量和高速模拟比较器。创新型软件工具可以帮助电源设计人员了解如何开发数控SMPS系统的闭环控制功能，从而简化从传统的模拟控制方式向数字控制的转换工作。

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