——作者：Robert Taylor
Robert Taylor是德州儀器的應(yīng)用經(jīng)理。
我于2002年開始在德州儀器(TI)工作;從那時起，電力電子市場整體增長了四倍多，復(fù)合年增長率達到了8%左右。這種巨大的增長得益于電源領(lǐng)域的一些驚人的進步。
我將在本文中回顧在2002年看起來幾乎不可能實現(xiàn)的話題。例如，我的首批項目之一是用于低壓大電流處理器應(yīng)用的兩相轉(zhuǎn)換器：輸入電壓為12 V，輸出為1 V，電流為40 A，功率級均為250 kHz，輸出紋波為500 kHz。我記得，由于電壓過低，無法用傳統(tǒng)的電子負載測試電源。為了快速完成一些測試，我使用了一個1米長的銅帶來達到加載電源的等效電阻。而當(dāng)我打開電源時，由于電場的原因，銅環(huán)實際上已扭曲。
我們團隊為此類電源提供的最新規(guī)格是：550 A時為1 V!該設(shè)計采用12相電源，具有先進的電流共享和瞬態(tài)響應(yīng)技術(shù)。我們現(xiàn)在擁有一整套實驗臺，內(nèi)裝專門的測試設(shè)備。隨著消費者對互聯(lián)網(wǎng)和云的需求增加，特定于應(yīng)用的處理器正變得越來越耗電。
另一項激動人心的技術(shù)進步是增加寬帶隙器件的使用量，如氮化鎵(GaN)和碳化硅(SiC)。GaN和SiC已存在一段時間，但在2002年既不可靠也不具有成本效益，無法用于商業(yè)用途。這兩種技術(shù)都可大幅提高功率密度和開關(guān)速度。圖1所示為1 kW功率因數(shù)校正(PFC)電源，每立方英寸能夠達到156 W - 比超級結(jié)硅芯片提高了2倍，比10年前提高了10倍。
圖1 采用1 kW通用交流輸入電源的99%高效1kW GaN基連續(xù)電流模式(CCM)圖騰柱功率因數(shù)校正(PFC)轉(zhuǎn)換器參考設(shè)計
汽車應(yīng)用正在增加對車輛內(nèi)部電源和電子設(shè)備的需求。在2002年，能夠?qū)㈦娫辞袚Q到AM無線電頻段(2.2 MHz)以上只是一個夢想。2018年，我們不僅可在AM波段之上切換，而且我們可以更小、更高效的方式進行切換。德州儀器最新的集成場效應(yīng)晶體管(FET)轉(zhuǎn)換器的一些開關(guān)頻率高于6 MHz。半導(dǎo)體技術(shù)的進步以及封裝使這些改進成為可能。圖2所示為集成FET轉(zhuǎn)換器的功率密度如何隨著特征尺寸的減小在典型的線性雙極互補金屬氧化物半導(dǎo)體(BiCMOS)技術(shù)中得到擴展。
半導(dǎo)體封裝在收縮尺寸和更高頻率切換方面也發(fā)揮著重要作用。封裝中的寄生損耗可限制開關(guān)電源合理切換的速度。典型封裝先前使用單鍵線將硅連接到引線框架引腳，現(xiàn)在我們可將銅金屬層直接連接到封裝或印刷電路板上，這種類型的封裝可降低寄生電感和雜散電容，從而實現(xiàn)更快的轉(zhuǎn)換時間。與此同時，熱管理也得到改善，這在增加功率密度時很重要。
圖2 典型線性BiCMOS技術(shù)的發(fā)展
筆記本適配器(外部適配器)通常稱為“磚”。我找了一下，發(fā)現(xiàn)一個，并決定稱重 - 重達1.35磅!圖3比較了2002年筆記本適配器(1.35磅)和2018年筆記本適配器(0.39磅)與真磚頭(3.25磅)的尺寸。隨著時間推移，尺寸上的減少令人驚嘆。
圖3 筆記本適配器尺寸的比較
通過提高效率、提高開關(guān)頻率和改善熱管理，可減小尺寸。但若沒有技術(shù)突破，很難實現(xiàn)所有三項改進：
· 諧振拓撲結(jié)構(gòu)，如有源鉗位反激和電感電感電容。
· 多級轉(zhuǎn)換器。
· GaN和SiC等寬帶隙器件。
· 二次整流和共振。
2002年的電源適配器的功率密度約為5 W/in3。雖然在當(dāng)時令人印象深刻，但若尺寸更小的話可在旅行時方便攜帶。圖4所示為適配器功率密度在過去幾年中的增長情況。這些測量關(guān)乎市售的65-W適配器。
圖4 65-W適配器尺寸和功率密度的改進
我對電源行業(yè)過去幾年的變化和改進感到振奮。現(xiàn)在情況很樂觀，雖然我無法預(yù)測他們是否會變得更好，但它值得我們拭目以待。
作者簡介：
Robert Taylor是德州儀器的應(yīng)用經(jīng)理。
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