北京单场分析:減小EMI,提高密度和集成隔離是2019年電源發展的三大趨勢

本文作者:Jeff Morroni       點擊: 2019-05-24 16:20
前言:
作者:德州儀器Kilby實驗室電源管理總監Jeff Morroni
毫無疑問,電源在調節、傳輸和功耗等各個方面都成為日益重要的話題。人們期望產品功能日趨多樣、性能更強大、更智慧、外觀更加酷炫,業界看到了關注電源相關問題的重要意義。展望2019年,三大廣泛的問題最受關注,即:密度、EMI和隔離(信號和電源)。

實現更高的密度:將更多電源管理放入更小的空間
由於IC光刻工藝和每個功能運行功率的大幅縮減,使得晶片上可集成更多功能和柵極,對成品的總體功率需求迅速增長,如圖1所示。一些處理器現在可以消耗幾百安培電流,並且可以在不到一微秒的時間內從低電流狀態上升到完全啟動狀態。通過降低損耗和提高熱性能實現“在硬幣大小的面積上達到千瓦級功率”的密度目標並非一句玩笑話。
 

圖1:從1992年到2010年的產品熱密度發展趨勢。

問題不僅在於管理功率和因此產生的功耗。由於存在基本的I2R損耗,即使在電源負載路徑中明顯“可忽略”的電阻也成為了有效功率輸送的主要障礙:在200 A時,僅1mΩ的引線/走線電阻可導致出現0.2 V IR壓降和40 W損耗。此外,因為可以靠近負載放置,使用較小的轉換器也存在兩難問題,,這一方面有利於減少走線損耗和雜訊拾取,但也成為負載附近的一個發熱源,導致溫度升高。

與功率密度相關的趨勢:單顆“魔彈”可能無法解決密度難題。解決方案將包括跨學科改進,將導致:
·更高頻率的開關;
·將電源管理功能(或其電感)移到處理器散熱器下方;
·更高的軌電壓,如48 V,以最小化IC壓降;
·新封裝類型;
·將無源元件集成到晶片上或封裝中。
減小EMI:發射導致出現性能不確定和拒絕調節
 


圖2:禁用和啟用擴頻的雜訊比較。

隨著電子產品更廣泛、更深入地擴展到大眾市場應用中,降低EMI已成為一個更大的問題,快速瞭解一下當今的汽車就能證明。實際上,由於難以抑制AM波段EMI,一些電動汽車/混合動力汽車不再提供AM無線電選項。當然,汽車中的EMI不僅僅會影響無線電,還會影響任務關鍵型ADAS(先進駕駛輔助系統)功能,如自我調整巡航控制雷達。

對設計人員來說,EMI方面的挑戰在於它通常更像是一門藝術,而非一門科學。建模是一個難題,其解決方案通常需要反復試驗才能將其降至所需的最大值。此外,EMI並非單一實體,而是具有不同的來源、路徑和外觀。例如,通常引線佈線和PCB佈局會產生較強的輻射EMI,而轉換器設計和無源濾波器網路則產生更強的傳導差分模式EMI。

與EMI相關的趨勢:無源濾波器之類的解決方案是可用的並且可能非常有用,但它們在尺寸、重量和成本的可削減區域內僅可達到一定水準。更大的機會在於IC供應商如何從源頭解決EMI問題,從而提供更好的結果並增強易用性,以滿足必要的合規標準要求。
 
這些解決方案詳細介紹了雜訊的基本原理,並將降噪噪技術進行了分層:
·增加使用擴頻技術來擴散雜訊能量,從而降低其在整個頻譜上的峰值;
·封裝,包括集成無源元件,可減少開關時引起電壓尖峰和振鈴的寄生效應;
·調製功率器件柵極驅動,以減少產生雜訊的dV/dt回轉,同時不影響效率。
 
增強隔離:確保A點與B點之間無電流路徑
儘管電氣隔離技術已經使用了很多年,但新工程師通常對其瞭解甚少。簡而言之,它提供了一個屏障,因此輸入和輸出級之間沒有歐姆(電流)路徑,但允許電源和信號能量通過該屏障??梢醞ㄟ^各種方法來實現隔離,包括光學、磁性、電容或小型RF耦合,如圖3。
 
圖3:電氣隔離類型。
 
電流隔離最常成為以下兩個主要目的之一。首先,它為具有內部潛在危險性高電壓系統的使用者提供了安全性,它可以確保系統中存在任何內部故障時,都無法影響到用戶。其次,它實現了一大類創新型電源系統架構,其中初級側和次級側之間必須沒有可能的公共電流,例如當一側接地時,另一側處於不接地連接的“浮動”狀態。
 
人們對隔離的需求受到各種情況的驅動,例如工廠自動化、廣泛的人機界面(HMI)、太陽能電池板和醫療儀器。GaN和SiC功率器件的dV/dt額定值較高也推動了具有挑戰性的隔離要求。
 
與隔離有關的趨勢:隔離可以僅用於電源軌、信號線(資料)或同時用於兩者。理想情況下,IC供應商可以將電源和資料隔離集成在同一個封裝中,以確保安全性和可靠性。此外,由於集成了資料和電源隔離功能,IC供應商可以針對這些應用中典型的嚴格EMI標準更好地進行控制和設計。

所需的隔離級別是應用的一大功能:5 kV增強隔離在許多情況下是足夠的,並且有詳細的行業標準對其進行定義。
 
由於具有卓越的共模瞬態抗擾度(CMTI)性能和資料完整性,使用隔離電容進行資料傳輸是一種流行的方法。然而,由於可傳輸的功率有限以及效率,對於大多數功率傳輸應用來說隔離電容是不可行的。因此,當需要功率傳輸時,磁性方法成為了優選方案。結合這兩種方法,可以在同一封裝中實現完全“自偏置”收發器等解決方案,同時具有隔離電源和資料連接。此類產品和技術創新真正改變了這些安全關鍵應用中的遊戲規則。
 
結論
電源功能、元件和傳輸方面的進步是跨學科的,因為密度、EMI和隔離密切相關。例如,降低EMI會導致無源濾波器尺寸減小,從而獲得更高的功率密度。進步將來自“堆疊”創新,帶來更多重大技術發展。其中包括充分表徵的寬頻隙(WBG)功率器件,改進的器件管芯熱介面,增強的無源器件和功能集成,先進工藝技術的開發和創新的電路IP。

德州儀器(TI)作為電源相關元件和設計支援工具的領先供應商,正在開發促進和支援這些趨勢的相關技術,包括材料、工藝、拓撲、電路和封裝等。

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