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[导读]电子繁荣的时代,电源技术将是永远的支柱。

 随着新一代半导体材料的逐步成熟,新应用场景的登场,电源行业也在接受技术的变革和洗礼。电源工程师们在继续追求着功率密度的增加,整流技术的提升和分布式电源结构的优化。同时,他们也更关心电源的数字化和智能化,设计工具的人性化,以及如何适应这个快速多变的市场环境。

在这种环境下,由《今日电子》杂志和21ic电子网举办的电源技术研讨会成功举办,在全国七地的60多场演讲中,电源工程师们接触到了最新的技术和理念,为以后的研发破除了障碍。

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新热点、新材料、新应用登场

GaN技术在2018年取得很大的进展,很多应用场景都开始出现GaN器件。作为最早研究GaN技术的厂商,英飞凌推出了600V GaN HEMT 产品线——CoolGaN。该器件架构建立在低成本的硅基材料上,采用了横向架构,很容易构建半桥模块、全桥模块;另外,在本征Al GaN层的顶部使用p掺杂的Al GaN门极。该器件具有非常极低的栅极电荷和输出电荷,线性的电容特性和源到漏电压,易于进行ZVS拓扑设计;同时,也没有本征体二极管架构和相关的储备恢复问题。CoolGaN的增强模式概念提供快速的开启和关闭速度,以及在芯片或封装级别上的更佳集成路径,可实现更简单且更具成本效益的半桥拓扑。增强模式更适合多芯片集成。600V CoolGaN系列是根据特定的基于GaN量身定制的规范工艺基础上实现的, 该工艺远远超过硅功率器件的标准。600V CoolGaN适用于电信, 数据通信, 服务器SMPS以及大多数其他工业和消费类应用。CoolGaN产品系列采用高性能SMD 封装, 以充分发挥GaN的优势。英飞凌还专门为CoolGaN配备了驱动器——1EDi-G1 EiceDriver系列,其具有独立于占空比的开关特性,两个关断电压,即使对于第一个脉冲,也可使用负栅极驱动电压。

无线充电是当前电源市场的最大热点,有Qi和PMA两个标准。其中,Qi标准由于得到了苹果等公司的支持,已经成为主流标准。意法半导体(ST)的一系列TX端产品也支持Qi协议,功率范围是2~15w。其中,以支持EPP规范的15W发射端控制器STWBC-EP为代表,该控制器的待机功耗仅16mW,端到端的效率能够达到80%,此外位置检测、FOD、Q因数测量的功能也一应俱全。该产品集成有一个DC/DC升压转换器和控制器,还有Qi充电算法固件,开发者无需在设计中集成软件和使用额外微控制器,即可完成方案设计。STWBC-EP的架构让设计人员能够灵活地优化外部半桥及相关栅极驱动器,支持5~12V的电源电压,确保兼容USB快充。这款芯片还采用ST的独有技术,给用户更好使用体验。这些独有技术包括可以提升主动存在检测性能的ST专利技术,当一个兼容设备放在充电区时,这项技术可以快速唤醒系统。此项专利技术还能提升异物检测(FOD)性能,当含有金属的物体距充电器过近时,这项检测功能可以自动切断电源,防止过热现象发生。

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在本次电源大会上,收购了爱立信电源模块所成立的Flex电源模块部门正式登场。凭借多年的积累,Flex电源模块已是板载电源行业的领先者,其单模块电源的效率达到了优异的97.5%。Flex的产品覆盖了工业、铁路、数据中心等多个领域,电压范围从交流48V直到芯片级。该公司在18年推出了最新的BMR481模块,其采用了领先的混合调节比(HRR)技术,能够更好地利用电源系统在其宽输入电压范围内实现大功率转换。BMR481可在高环境温度和气流有限的环境下提供更高的可用功率,意味着可以提供高可靠性。尽管该模块带有标准底板,但对于最具挑战性的散热环境,它也可以连接到散热器或冷却板上。因此,BMR481不仅适用于中间总线转换、动态总线电压和分布式电源架构,还能为采用多节电池供电的高端和高功率应用或ICT应用中常用的整流器供电。在BMR481的基础上,Flex将在明年推出BMR482,作为第二代直接转换器,其输出将达到1.8V/100A,采用AVS总线或SVID控制,最大可进行6块并联。作为PSA的成员,Flex公司的48V直接转换DC/DC模块可以为OCP和数据中心公司带来很好的效益。

同为模块电源厂商,Vicor公司的电源产品也在不断演化,从80年代的大功率模块,一直发展到现在的芯片化封装产品。细数该公司的产品,包括了专有的ZVS及ZCS转换器拓扑结构,系统级封装(SiP)LGA模块,VI Chip,转换器级封装(Chip)产品和VIA(集成式电源适配器)解决方案。Chip是Vicor为了应对散热挑战而推出的封装技术,它可以像晶圆制造一样,利用100%的PCB材料将各个转换器排列起来,而没有引线/引脚连接占用的空间。然后,阵列被锯成一个个“芯片级”元件,没有多余的非增值封装,从而最大限度减少了客户设计所使用的空间。VIA则是一个更大的功率元件平台,提供一个热适应的、灵活、高密度、低成本外壳给Vicor的前端(FE)功率转换引擎,其中可整合EMI滤波器、瞬态电压抑制(TVS)、浪涌保护与数字通信。针对小型化的应用,Vicor还有SIP、QFN和SM-ChiP三种封装。对于最热门的48V到CPU供电单项转换器,Vicor也有相应的产品(VTM),日本的超算就使用了Vicor的电源方案。VTM是十分快速, 功率密度和效率均极高的电流倍增器, 可以符合高端功率应用的要求。其主要优点是几乎可以免除负载电容, 大大提升整个系统的密度和可靠性。

ROHM公司在本次大会上的演讲主题是面向工业设备的电源解决方案。能源与汽车是其目前最为关注的领域,主要产品包括了门极驱动器、IPM、AC/DC和DC/DC。ROHM的隔离式门级驱动器主要采用了典型的3相逆变器电路,其隔离技术采用了无线圈变压器,大幅减小了占板面积,输入输出延迟也大幅减小,鲁棒性也很高。非隔离式则采用了SOI技术,可以承受600V高压。IPM方面,ROHM的目标是使用SiC材料,并逐步应用在工业领域。而且,ROHM还在力推SiC的AC/DC。目前,ROHM已有AC/DC控制器BD768xFJ-LB加SiC MOSFET SCT2H12的整体解决方案。次级侧同步整流控制器也是ROHM主推的系列,这种产品比传统的整流电路降低了90%的功率损耗,无需单独进行热沉降。最后,在工业变频器等应用场合,大功率设备会需要绝缘型电源/隔离型电源,ROHM为此推出了无需光电耦合器BD7F系列,因为无需光电耦合器,反激式构建的部件数量减少一半,可同时实现系统的小型化、节电、高可靠性。此外,本系列采用新开发的自适应导通时间控制,改善了隔离型电源控制IC的课题中的负载响应特性。

在拥抱数字电源技术的路上,Microchip走的很坚定。数字电源的可控制性、及时性和可靠性使得各芯片公司都加大了投入。Microchip为数字电源提供了评估板、设计工具和具有外设的控制器。适用于数字电源的MPLAB入门工具包,低电压PFC开发板和一系列参考设计构成了评估板和参考设计系列。为了便于开发,Microchip的数字电源设计套件还具有代码配置器、补偿器库,只需简单的步骤就可以开发出强大的数字电源产品。至于数字电源产品本身,Microchip本身也有一个强大的产品线,以dsPIC33EP GS为例,包括多达5个12位ADC(一共多达22个ADC输入),可提供16 Msps的总吞吐量和300纳秒的ADC延迟;还有四个模拟比较器均配有12位DAC,用于精度要求更高的设计;两个片上可编程增益放大器可用于电流检测以及其他精密测量。Microchip不断提高控制器的性能,使之能加快算法执行速度,并提高开关频率,最大限度发挥数字电源的优势。

益登科技作为芯片大厂Silicon Labs的代理商也参加了本次大会,演讲主题是《应用于快速开关及安全性场景的电容隔离产品》。目前,隔离技术的主流有四种:电容式、巨磁阻、磁和光,Silicon Labs所采用的是电容式。以具体产品为例,Si8xxxx产品中使用的隔离介质是二氧化硅,优点是有经验证的、好的控制工艺,已经使用了超过30年,低缺陷率,电解质强度非常高。Silicon Labs的隔离器产品线已经包括了多种产品,包括了数字隔离器产品家族,面向不同系统的IsoDriver产品系列,以及模拟隔离器和隔离ADC。隔离器在工业应用中发挥着巨大的作用,如PLC系统,有128个通道,现场输入可能是流出或吸入类型,光耦不能提供足够高的速度用于伺服电机控制,且光耦易于受到温度和老化的影响而性能下降。而Si838x就能解决这个问题,它能节省大量电路板面积,具有双极输入能力,2Mbps速率可提供可靠的伺服控制,在整个长寿命周期都能提供稳定和可靠的性能。除此之外,Silicon Labs公司还是头一家为电动汽车提供数字隔离器的厂家,其产品满足汽车级的加工流程,具有DPPM保证,PSW/PCN处理,VDA和16949审计准备就绪。现在,已有多家电动车OEM厂商采用其产品。在EV/HEV中的电池管理系统,电池充电器(AC充电站或OBC)和电机驱动牵引逆变器中都有Silicon Labs产品的身影。

 

没有精准测试 谈不上好的电源

电源的研发和生产离不开测试,尤其是随着绿色环保意识的提升,人们对电源产品的要求越来越高,这也就对电源的测试带来了新的挑战,每年的研讨会上,关于电源、电池、新能源方面的测试方案广受听众欢迎,也吸引了多家行业领导测试厂商的参加。今年也不例外,是德科技、鼎阳科技、艾德克斯、罗德与施瓦茨和英国比克科技都带来了最新的测试解决方案。

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是德科技已经连续10多年参加21ic&《今日电子》的电源技术研讨会,每年都会带来最新的电源测试技术和方案。本次研讨会上,是德科技的演讲题目是“智能设备低功耗、电源管理和电池的深层次测试和分析”。要推进高速发展的智能设备和物联网市场普及,关键的要素是保证设备的性能和长工作寿命,这就要求厂商在软硬件上保证低功耗特性,同时提供高品质电池+电源管理。是德科技具有超过50年的经验,可以提供灵活、高效、完整的电源测试平台。基于是德科技的解决方案,用户可以深入洞察智能设备和物联网的电源和电池特性。演讲中,是德科技介绍了几项关键的测试挑战:芯片和模块的高速动态电流和功耗的测量、智能和物联网设备整机功耗的精确评估、小功率低压DC/DC模块的快速验证、电池性能分析。同时,介绍了用于这些测试的得力仪器,例如:CX3300电流波形分析仪、N6705C直流电源综合测试和分析仪、N6900/N7900系列先进电源系统(APS)、用于电池静态内阻的仿真的N6705+N6781等。

艾德克斯(ITECH)也是多次参加电源研讨会的厂商,艾德克斯致力于功率电子测试领域相关产品和解决方案的研究,拥有极其宽广的产品线,在电源、电池、汽车电子、新能源等10多个领域提供完整的测试解决方案。此次研讨会,艾德克斯带来了两个议题,一是关于通用电源测试,介绍了其单机测试和自动化测试方案,其中针对单机测试产品有可编程交/直流电源、可编程交/直流电子负载、功率表等产品,针对自动化测试,主要有ITS9500电源测试系统;第二个议题是关于绿色新能源汽车测试,介绍了艾德克斯汽车充电桩&车载充电机/动力电池/汽车电子/接线盒测试解决方案。

R&S(罗德与施瓦茨)的演讲题目是“测量和分析手机外部电源的共模噪声”。手机的外部电源设计上,共模噪声是一大挑战,如果外部适配器共模噪声不能达到要求,手机外部电源在充电时会给手机带来不良影响,尤其是触摸屏手机。为此,各个手机厂商及行业组织都对手机外部电源的共模噪声测试提出了严格要求,工程师需要对开关电源进行多项参数指标测试。R&S RTO/RTE 16位高分辨率示波器是应对手机外部电源共模噪声测试的理想工具,与普通的示波器不同的是,R&S RTO/RTE系列示波器提供了创新的16位HD触发和采集系统,集成硬件DDC频谱分析功能,可提供更多的信号细节及更精细的分析结果。针对产线测试需求,R&S提供了10位高分辨率嵌入式示波器RTB2000/RTM3000/RTA4000系列,配置长存储功能,在提供可靠性和测试效率的同时,可大大降低测试成本。

英国比克科技(Pico Technology)的演讲题目是“可替代传统台式示波器的智能PC示波器”。相比传统的台式示波器,口袋大小的PC示波器是现场应用工程师的理想选择,由于它基于PC显示,因此可以获得高分辨率的大屏幕显示,同时,可以利用PC强大的计算分析能力,在数据的传输、软件更新及维护上也更方便。比克科技具有多年PC示波器研发的经验积累,可提供多达78种型号的产品,高性能型号带宽支持高达25GHz, 高分辨率型号支持16位分辨率,业界首台4路真实差分输入高分辨率示波器,同时,其示波器标配一系列高端台式示波器才有的性能:串行解码、模板容限触发、高级函数、数字触发等。例如,PicoScope 4444示波器有4个真实差分输入通道、采用12位或14位ADC,分辨率灵活可调,特别能为普遍的浮地测量带来更准确的测试结果;PicoScope 4824是一台具有高分辨率、深存储的8通道示波器,可以同时捕获多通道数据,特别适用于三相电/电源测量应用。另外,其PicoScope 6软件将所有的工具都包含在一个盒子中,为用户提供完整的高级分析应用功能。同时,比克科技还提供了软件开发工具包PicoScope SDK,用户可以利用SDK创建自己的研发项目的特有的应用,具有台式示波器上不易实现的高度互联和定制优势。

鼎阳科技专注于通用电子测试测量,自2005年推出第一款数字示波器以来,一直是全球发展速度最快的数字示波器厂商。此次,鼎阳科技以“电源纹波&辐射测试方法以及特殊应用”为题,介绍了电源纹波&辐射测试应用中,示波器及频谱仪的选型、参数设置及注意事项。例如,对于示波器,测量开关管(主流是MOSFET)的系统带宽建议是100MHz,采样率建议是250MS/s;测量电源系统的监控部分电路的带宽建议是500MHz,采样率建议是5GS/s;测量电源纹波的带宽/采样率建议是20MHz/250MS/s,测量电源噪声的带宽/采样率建议是500MHz/5GS/s;测量电源的快速瞬变脉冲放电的带宽/采样率建议是1GHz/10GS/s。对于频谱仪,测量电源的辐射推荐采用9kHz~1.5GHz,需配置一套对应的近场探头,测量器件的幅频响应曲线需要增加追踪源选件,测量电源周边线缆的情况需要增加DTF选件。在演讲中,还介绍了一些特殊功能应用,例如:示波器的波特图、示波器的功率分析,频谱仪的电源测试应用等。

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康模数尔(COMSOL)公司致力于为工程界和科学界提供多物理场建模的软件解决方案,此次研讨会上,他们的演讲题目是“多物理场仿真助力电源设计”。使用计算机模拟的方法研究真实世界中多个物理现象之间的相互作用,这样仿真的好处是可以帮助工程师更好地理解概念原理,更快地进行测试和验证,更容易地进行设计和优化。对于电源设计工程师,很多领域的设计工作都需要预先的仿真和验证,例如:IGBT模块经历反复的电、热以及机械疲劳,会降低模块的性能,最终使其失效,仿真可以帮助优化设计从而延长其寿命;仿真高压线电晕放电过程,可以精确分析电力传输线周围的电场分布,评估强放电可能性、电离程度;在无线充电设计中,对线圈阻抗仿真计算可以评估无线充电性能,还可以评估无线充电损耗以及电磁辐射;还有汽车电池动力性能仿真、电池的热管理、电池SoC计算等。这些电源设计中的多物理场仿真都可以借助康模数尔的产品COMSOL Multiphysics以及COMSOL Server而轻松实现。

结语

在快速发展的时代,一切都显得无序和杂乱,但是电源技术追求高效率、高可靠性的目标从未改变。电子繁荣的时代,电源技术将是永远的支柱。

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